工程机械减速机齿轮失效原因分析
某工程机械减速机齿轮发生了失效。为了探究齿轮失效的原因，对失效齿轮进行了解剖。 并采用直读光谱仪、摆锤式冲击试验机、拉伸试验机、洛氏硬度计、显微硬度计及金相显微镜等设备，进行了成分、组织及力学性能检测，并对热处理工艺进行了分析。
结果表明：失效齿轮的化学成分满足 20CrMnTi 材料的要求；失效齿轮心部预备热处理不合适，强度达不到标准要求；渗碳热处理使齿面部位达到了硬度及渗碳深度的要求，但渗碳不均匀，齿轮侧面硬度达不到要求。齿轮侧面硬度低和耐磨性差是失效的主要原因。
减速机在使用过程中，过早地出现了振动、噪声等，影响了正常的使用。为了解决这一问题，技术人员对该减速机进行了拆解，发现二级行星齿轮存在齿面磨损及塑性变形的问题。在此情况下，只能更换二级行星轮。为了从根源上解决齿轮失效的问题， 对该失效齿轮进行了一系列的检验与分析，包括成分分析、金相检验、力学性能分析等。
1 试验方法与设备
本文以失效齿轮为研究对象，从齿轮材料与性能进行分析，找到齿轮失效的根本原因。检测试样的取样位置应满足试验要求，且具有代表性，各试样的取样位置如图 1 所示。
采用直读光谱仪对齿轮材料成分进行分析，并与 GB/T3077-1999《合金结构钢》中20CrMnTi 材料成分进行对比；采用摆锤式冲击试验机检测材料的冲击韧性，试样为 10 mm×10 mm×55 mm 的标准 U型缺口试样；采用 100 kN 电子拉伸试验机检测材料的强度；采用洛氏硬度计与显微硬度计检测材料的硬度及有效硬化层深度；采用倒置式金相显微镜检测材料的组织。
2 试验结果与分析
2.1 失效齿轮化学成分分析
经检测，失效齿轮的化学成分如表 1 所示，与GB/T3077-1999《合金结构钢》中20CrMnTi 材料成分进行比对，发现失效齿轮的化学成分达到了要求。
表1 20CrMnTi 齿轮的化学成分(质量分数，%)
2.2 失效齿轮的力学性能分析
采用 100 kN 电子拉伸试验机对试样进行拉伸试验，结果见表 2。采用摆锤式冲击试验机对试样进行冲击韧性试验（表 2），试样 1#～3# 为平行试样。
表2 失效齿轮力学性能
从表 2 可看出，失效齿轮的抗拉强度为 857.35～938.00MPa，低于标准规定的最低值1080 MPa；冲击吸收功为 60.43～68.25J，高于标准规定的最低值 55J，满足标准要求。
2.3 失效齿轮硬度分析
失效齿轮的 表面硬度采用洛氏硬度计进行检测，检测位置为齿面及侧面，结果见表 3。
表3 失效齿轮的表面硬度(HRC)
从表 3 可以看出，失效齿轮的侧面硬度较低，低于 58～62 HRC 的硬度要求， 较低的表面硬度是导致齿轮表面磨损的主要原因。
采用显微硬度计检测失效齿轮表面渗碳情况，从齿面至心部的硬度变化曲线如图 2 所示。从图中可知，失效齿轮的有效硬化层深度 CHD 为 1.41mm，达到了渗碳深度要求[2-3]。图中，从表面至心部，硬度首先增加，然后平稳降低至 450HV1 左右。
2.4 失效齿轮组织分析
失效齿轮从齿尖至齿心的显微组织见图 3。
图3 失效齿轮各部位的显微组织
该齿轮经过了渗碳处理，根据含碳量的多少，一般将渗碳层分为过共析层、共析层及亚共析层，过共析层碳含量可达 0.8%～1.0%。从图 3 可知，过共析层主要由灰色针状马氏体及少量白色块状残余奥氏体组成；共析层主要由细小短针状马氏体及少量残余奥氏体组成；亚共析层主要由较粗大的透镜状马氏体及少量屈氏体组成；齿心由马氏体及晶界未溶颗粒状铁素体组成。齿心金相组织取样于齿轮中心线与齿根圆相交处[4-7]。结合齿轮的CHD 曲线，齿尖到齿心的金相组织能够满足硬度要求。齿轮心部位置的显微组织如图4 所示。
从图 4 可知，心部组织主要由大块状铁素体及索氏体组成，并且组织有一定的偏析，该金相组织的取样位置为齿轮心部位置处，与拉伸试样取样位置一致。
2.5 综合分析
一般来说，齿轮加工的工艺路线为[8-11]：锻造→预备热处理（正火、退火或调质等）→粗加工（齿形加工）→渗碳→淬火→低温回火→喷丸→校正花键孔→精加工（磨齿）。齿轮毛坯需锻造，锻造能够降低晶粒尺寸，改善毛坯组织性能；预备热处理主要目的是降低硬度，提高塑性，便于切削加工，细化晶粒，均匀化成分与组织，为后续热处理做准备。
对于 20CrMnTi 材料，渗碳热处理工艺规范一般是先进行 920～950℃正火热处理，然后在 920～940℃下渗碳处理， 最后 830～870℃油淬及 180～200℃低温回火。
失效齿轮心部的强度较低，达不到标准要求，结合该位置的金相组织，发现组织中存在块状铁素体及偏析，导致了材料强度降低。偏析的存在与预备热处理不合适有关，可以增加预备热处理的时间或提高温度。
失效齿轮侧面硬度低，耐磨性较差，这是导致失效的主要原因，结合本文中的分析，表面硬度低，主要是由于在渗碳过程中，渗碳方法不当，渗碳不均匀所致。
3 结论
（1）失效齿轮的化学成分满足 GB/T3077-1999《合金结构钢》中 20CrMnTi 材料的要求。
（2）失效齿轮心部由于预备热处理不合适，强度达不到性能要求。
（3）渗碳热处理使齿面部位达到了硬度及渗碳深度的要求，但渗碳不均匀，齿轮侧面硬度达不到要求。齿轮侧面硬度低，耐磨性较差，这是失效的主要原因。
