结果表明，齿轮组织中的碳化物沿晶界分布是齿轮发生开裂的主要原因。
齿轮是能互相啮合的有齿的机械零件。19世纪以来，展成切齿法原理出现，使齿轮的应用越来越广泛。
随着应用的深入，齿轮运转的平稳性受到重视。齿轮常见的失效形式主要有：轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀和齿面胶合。
某公司生产的渗碳齿轮在磨削过程中2/3的齿面出现了明显裂纹，且所有的裂纹都在同一侧的齿面上，可以初步判断这些裂纹为同种原因产生的。
齿轮原材料为17Cr2Ni2Mo钢，采用渗碳+二次淬火+低温回火工艺加工而成，本文分析裂纹产生的原因。
实验方法
从发生齿面开裂的齿轮切割取样，宏观观察分析裂纹表面，采用直读光谱分析齿轮的化学成分;采用金相显微观察分析齿轮的微观组织;采用SEM扫描电镜研究齿轮裂纹面的微观形貌。
实验结果
宏观形貌分析：对开裂齿轮切割取样，一个带裂纹的齿宏观照片见图1。由图可看出，齿轮齿面上有裂纹，裂纹为间断裂纹。
图 1 带裂纹齿面宏观照片
化学成分分析：齿轮的化学成分直读光谱分析结果见表1。由表可看出，试样化学成分符合GB/T 17107-1997《锻件用结构钢牌号和力学性能》标准规定的17Cr2Ni2Mo钢材化学成分要求。
表1 齿轮化学成分直读光谱分析结果(质量分数，% )
金相显微组织分析：齿轮裂纹金相组织照片见图2。从图2可以看出，在深度方向上裂纹有两条，均为沿晶裂纹，在裂纹附近表面有非马氏体区，非马氏体区域下部碳化物呈沿晶分布。
图2 齿轮横截面金相组织照片×500
齿轮开裂面的金相显微组织照片见图3。图3(a)为500倍轻腐蚀金相显微组织照片;图3(b)为1000倍深腐蚀金相显微组织照片。
从图3(a)中可以看出，裂纹面未发现明显的屈氏体组织;从图3(b)中可以看出，可观察到隐针马氏体+碳化物组织，但 碳化物明显地沿晶界分布。
图3 齿轮开裂面金相显微组织照片
未开裂面的金相显微组织照片见图4。图4(a)为500倍轻度腐蚀金相显微组织照片;图4(b)为1000倍深度腐蚀金相显微组织照片。
从图4(a)中可看出，非裂纹面同样未发现屈氏体组织;从图4(b)中可看出，未开裂面的金相组织和开裂面的类似，也为隐针马氏体+碳化物组织，不同的是碳化物呈链状，未形成网状。
图4 非裂纹面的金相显微组织照片
硬度测试：对裂纹面和非裂纹面的表面渗碳层进行深度-硬度测试和对比，结果见表2，渗碳层深度测试见图5。
从表2中可以看出，齿轮带裂纹侧层深3.14mm，无裂纹侧层深2.95mm。两侧层深相差0.19mm的原因可能为热处理变形，导致两侧磨削量不同。
表2 渗碳层硬度测试结果(HV1)
图5 渗碳层硬度随深度分布
断口分析：试样断口SEM微观形貌照片见图6。可以看出，腐蚀产物盖满断口表面，但局部可见沿晶断裂的特征，由此确定裂纹形成于回火后。
图6 断口SEM微观形貌照片
分析与讨论
从裂纹面金相显微组织分析结果可知，齿轮开裂面金相显微组织中碳化物呈沿晶分布的特征，且开裂面的碳化物沿晶分布特征比未开裂面严重，说明齿轮渗碳层碳化物的沿晶分布是促进裂纹形成与扩展的主要原因。
渗碳过程中出现沿晶分布碳化物的原因主要是渗碳过程中碳势过高。如果网状碳化物较严重，那么，在淬火加热时不能完全溶解，网状碳化物层厚度过大，会使零件表面变脆。
结 论
(1)齿轮化学成分符合标准规定的17Cr2Ni2Mo钢材要求。
(2)齿轮的表面渗碳层碳化物沿晶分布，沿晶界分布的碳化物导致齿轮表面变脆，是导致齿轮裂纹形成的主要原因。
参考文献：略
作者简介:王素粉(1981- ),女,河南周口人,副教授,硕士,研究方向:机 械制造及其自动化、CAD/CAE/CAM。