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船用柴油機曲軸齒輪斷裂失效原因分析

2016-02-22 08:00:00 作者：本網整理來源：熱處理生態圈分享至：

我公司生產的某型船用柴油機曲軸齒輪圖樣要求材料牌號為12CrNi3A GB/T3077-1999，滲碳層深度0.9～1.3mm（工藝滲層深度1.1～1.5mm），滲碳層硬度58～61HRC。

該零件的加工工藝過程為：原材料進廠檢驗→下料→鍛造齒坯→齒坯加工→滾齒→齒形幾何精度檢驗→滲碳→去碳層→淬火及回火→齒形精加工+磨齒形→清理輪齒、防銹和包裝。僅保留齒面的碳層，因此該齒輪齒面硬度高，心部綜合力學性能好。該齒輪使用約100h，產生齒輪斷齒事故，斷齒斷口及未斷裂齒宏觀形貌見圖1所示，對斷齒齒輪進行探傷后發現有些（未斷裂）齒的齒面存在裂紋見圖2所示。針對齒輪輪齒的斷裂，我們進行了以下分析。

圖1 斷齒斷口及未斷裂齒宏觀形貌

圖2 未斷輪齒齒面著色探傷，可見滲透顯示的位置與分布

1.材料分析原材料為12CrNi3A，具體化學成分見附表。

2.試驗過程與結果

斷口形貌分析：該齒輪3個相連的齒都從齒面節圓附近開裂，向另一齒面的齒根和齒寬方向擴展，最終斷裂，裂紋形貌見圖3、圖4。

可見，硬化層深：有裂紋齒面一側0.73mm，一側0.75mm；無裂紋齒面一側0.78mm，一側0.81mm。硬度檢測：有裂紋齒面硬度為 56.3HRC、56.7HRC；無裂紋齒頂硬度為56.5HRC、56.2HRC。硬度及層深均不滿足圖樣要求。

注：A1為有裂紋齒面兩側硬度曲線；A2為無裂紋齒面兩側硬度曲線

3.結語

由圖可以看出斷面有油污，清理后呈灰色，齒斷于節圓附近，斷口上可見到明顯的疲勞溝線和疲勞弧線，齒輪的嚙合過程，節圓部位主要承受周期性壓應力和滾動（或滑動）引起的切應力作用，是應力比較集中的部位，該部位容易產生疲勞裂紋源。此外，由于滲碳層深度不足，導致零件表面硬度偏低，在高循環應力作用下，疲勞裂紋形成后沿齒寬方向（滲碳層）快速擴展，最終在齒上形成淺而長的疲勞裂紋，導致齒輪斷裂失效。

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