大齒輪開裂的研究分析

目前，大齒輪已經成為許多機械產品不可缺少的組成部分，廣泛應用于各種傳動機構中。它通過輪齒嚙合在空間的兩軸之間傳遞運動和動力，同時還承受較大的沖擊載荷、交變彎曲應力和接觸應力。在大齒輪的制造階段，特別是熱處理后的加工過程中，齒頂和齒根經常出現裂紋。

本文以采煤機大齒輪為研究對象，齒輪材料為18Cr2Ni4WA。滲碳齒輪鋼具有良好的淬透性和沖擊韌性，滲碳淬火后具有高的接觸疲勞強度、疲勞極限、硬度和耐磨性。在儲存過程中，發現幾個大型雙軸齒輪的齒頂有裂紋。除了裂紋的數量之外，裂紋的形狀和位置是相似的。

1.理化分析

（1）宏觀分析

大齒輪的裂紋部分位于齒的頂部（即從齒頂到節圓）。裂紋深度4~7mm，裂紋基本垂直于軸線。相鄰幾個齒的裂紋方向基本一致，可以連成一條線，屬于橫向裂紋。

（2）化學成分分析

在齒根下部取樣，酸浸樣品上沒有明顯的疏松或偏析。

（3）裂紋形貌分析

裂縫的線條看起來很柔軟，末端又圓又禿。帶狀夾雜物是由齒輪復雜的鍛造成形引起的，這兩個步驟是分開形成的。齒輪臺階成形時，中間材料橫向延伸，齒輪外圓方向沒有足夠的鍛造比，導致非金屬夾雜物伸長。

（4）金相組織

用NEOPHOT-21光學顯微鏡觀察了未裂牙、中心牙和裂牙的金相組織。大齒輪有效硬化層為0.998mm，表面硬度為58.9~61.0HRC，芯部硬度為40.5~42.5HRC，根據真實齒輪滲碳金相和有效硬化層的檢驗數據，金相組織及相應的顯微組織級別無異常，滿足大型齒輪熱處理的技術要求。

2.結論及建議

大齒輪原材料中夾雜物的等級過高，大尺寸、致密的非金屬夾雜物破壞了金屬的連續性，造成局部應力集中，產生細小裂紋。齒輪淬火后殘余應力進一步增加。由于回火，裂紋不穿透表面，而是在齒輪后續磨削應力的作用下發生應力疊加。在隨后的放置過程中，應力釋放導致裂紋穿透牙齒表面。結合裂紋形狀、裂紋走向和裂紋分布，裂紋是由原材料中的夾雜物引起的，最終大齒輪因鍛造工藝不理想而開裂。