摘 要：减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮（或蜗杆、齿轮-蜗杆）传动所组成的独立部件，一般在原动机和工作机之间起匹配转速和传递转矩的作用，在冶金、有色、煤炭、建材、工程机械及石化等行业有极为广泛的应用。
关键词：齿轮;硬化层深;夹杂物;应力集中
引言
某厂走行减速机用齿轮磨齿后，多件在齿轮内孔键槽孔壁圆周方向及齿轮端面发现裂纹，齿轮材质为18CrNiMo7-6，生产流程：粗加工→渗碳淬火+回火→精加工（开键槽等）。为确定齿轮裂纹产生原因，进行了一系列检验与分析。
一、试验过程与结果
1.1宏观检查
齿轮外圆周、内孔键槽孔壁圆周方向及端面均发现较长裂纹，部分端面裂纹两侧呈翘起状，如图1所示。沿裂纹打开后，观察断口形貌，大部分呈细瓷状银色金属光泽，未见陈旧性断口，裂纹源在键槽根部拐角处。从裂纹源向四周可见明显放射状花纹及撕裂棱，为高应力脆性开裂断口形貌，如图2、图3所示。键槽加工粗糙，线切割加工痕迹清晰。
1.2化学成分检验
用ICP电感耦合等离子体发射光谱仪对齿轮化学成分进行检验，结果符合EN10084—2008《渗碳钢交货技术条件》要求。检测结果见表1。
1.3硬度及金相检验
齿轮渗碳层深度约为1.58mm，齿面平均硬度为725HV1，芯部硬度为43.0HRC，均符合图样技术要求。
按照GB/T10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》中B法检验评定，各类非金属夹杂物均优于0.5级;按GB/T6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》检验评定，晶粒度为6.5级。
齿轮渗碳层组织为极少量细颗粒状碳化物+粗针状马氏体+较多的残留奥氏体，按GB/T25744—2010《钢中渗碳淬火回火金相检验》评定为碳化物1级、马氏体5级、残留奥氏体6级，不满足GB/T3480.5—2008《直齿轮和斜齿轮承载能力计算第5部分：材料的强度和质量》中对渗碳钢表层组织及残留奥氏体含量的要求。
在裂纹源处切取试样，打磨抛光后经4%硝酸酒精腐蚀液腐蚀，用显微镜观察，键槽表面存在一层白亮层，键槽表面加工粗糙，根部呈不规则形态，并有显微裂纹存在，显微裂纹两侧无增碳、脱碳现象。
二、分析与讨论
对减速机齿轮进行检测，其材料成分、金相组织、表面硬度符合技术要求，导致齿部出现开裂的主要因素为：（1）淬硬层深超过技术要求，齿轮经渗碳以后，其齿部是含碳量较高的过共析钢，芯部仍然是亚共析钢，在油中进行淬火冷却时，表层首先冷却，芯部次之，当温度冷却到马氏体转变温度Ms时，表层首先转变成马氏体，体积增加，表层材料有向外“膨胀”的趋势，这会对芯部材料形成“拖拽”作用，导致芯部受到拉应力，此时表层材料受到向内的压应力。芯部材料含碳量较低而有较高的马氏体转变终了温度Mf，随着冷却的进行，当温度低于芯部马氏体转变终了温度Mf时，芯部组织停止转变，表层材料含碳量较高，有较低的马氏体转变终了温度Mf，在室温下会继续转变，这会导致表层向外涨大的趋势会一直进行，芯部受到的拉力会逐渐增加;齿部有效硬化层越深，这种应力效应越明显，这是导致齿轮从芯部开裂的第1个原因。（2）经扫描电镜分析，裂纹源位于齿的内部，且有较多的O、Al、Ca、Na等元素组成的非金属夹杂物，这些夹杂物硬度较高，比如Al2O3，其莫氏硬度为9，几乎没有塑性;这些硬度较高的非金属夹杂物会破坏基体组织的一致性和连续性，在受到外力作用时，高硬度的夹杂物颗粒不产生变形，其颗粒尖角会对基体组织产生强烈的“切割”作用，这会在夹杂物周围产生高度的应力集中形成裂纹源，再加上内部受到较大的拉应力，导致裂纹从内部扩展，这是开裂的第2个原因。
综上可知，齿轮开裂原因首先是有效硬化层过深，其次是材料芯部有夹杂物。经过对热处理工艺进行追溯，发现齿轮进行了混装拼炉，导致渗碳时间过长，改进措施是不允许拼炉混装。另外，发现供应商为了降低成本，把本该用特钢的材料换成普钢材料，导致夹杂物增多，造成早期失效，改进措施是指定特鋼公司，不允许随意更换材料。经过采取上述措施，改进后齿轮的渗碳层组织为2级M针+A残，硬化层深度为1.9mm，夹杂物评定为1.5级，均符合技术要求，彻底解决了齿轮的开裂问题。
三、结论及建议
由于齿轮线切割加工走速过快，导致键槽表面加工粗糙，过渡圆角形状不规则，以及加工表面产生了线切割白亮层，因此加剧了键槽部位的应力集中情况，在键槽部位形成裂纹源。裂纹在磨削应力及工件残余应力的作用下，逐渐扩展至开裂。建议在渗碳前铣键槽，若渗碳后使用线切割加工方式开键槽，应控制好线切割加工走丝速度，保证键槽根部过渡圆角形状，提高键槽加工质量;若无法避免线切割产生的白亮层，应在线切割后人工将其打磨去除。
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作者简介：
胡敏建，1985.2.10，男，汉族，供职单位：陕西龙门钢铁有限责任公司，主要从事减速机 ，带输送机，烧结机专业备件维护，采购工作。