推土机齿轮出现裂纹后有何危害？如何通过观察裂纹进行故障诊断？

文 | 成倚贤

编辑 | 成倚贤

●—≺ 前言 ≻—●

推土机齿轮裂纹形态各异，既有原材料裂纹、锻造过程中裂纹、热处理过程裂纹，又有齿轮加工过程裂纹、服役过程中失效裂纹。

这些裂纹形态各异，宏观上很难区分裂纹的产生根源，对于每一种裂纹的分析必须综合考虑锻造、原材料、热处理工艺加工工艺及服役条件，并结合金相组织、电镜扫描图像科学分析，才能正确地找出产生某类型裂纹的根源，从而反馈到生产过程并合理地调整工艺、加工过程。

●—≺ 淬火裂纹 ≻—●

材质为S48C的齿轮，采用中频感应集中淬火，淬火后齿轮掉齿，但裂纹两侧无脱碳层，裂纹周围无明显氧化物，裂纹末端呈尖角形。

金相淬火组织为中碳马氏体，级别2级，呈粗大针状，材料合金计算DI值36~37，晶粒度6级。

据现场调查，该件生产采用感应加热功率过高、时间过长是导致产生裂纹的直接原因。

但是诱发淬火裂纹的要因往往不止一种，通过检查分析材料合金的DI值达到37，过高DI值也是诱发率火裂纹的又一要因。

分析建议：

建议对于每批投入工厂生产的齿圈，在不知材料具体成分的情况下，应用光谱仪检测其化学成分，进行首件参数试验。

并且需要合理配比材料的合金含量，合金DI值应控制在24~36,并根据现场齿轮的模数、齿厚等参数按现场的实际试验情况详细划分区间段，并采用不同的率火参数。

比如对于DI值在高限的可适当降低加热功率、减少加热时间，提高淬火冷却介质浓度等参数。

对于DI值在低限的可适当提高加热功率、延长加热时间，降低率火冷却介质浓度等参数。

还要注意的是，坏料的存放不当易混料，对齿轮材料管理，应严格做到材料浇注、锻造、正火、调质、感应率火等每道工序都应有相应的检测报告，并设置材料标识卡管理。

锻造后应严格做到无带状组织、魏氏组织及严重的偏析组织，锻造比≥6，正火后，要保证正火充分，奥氏体晶粒度≥5级。

●—≺ 锻造折叠 ≻—●

锻造折叠是齿轮锻造过程中的一大危害质量问题，如不能及时发现，正确地分析产生根源，将给企业带来重大的经济损失！

就我们的团队发现的齿轮锻造折叠问题主要集中在齿轮的轮辐折叠、齿顶折叠、齿根折叠等。

该齿轮经车间调质粗滚齿后，在齿面发现裂纹，剖检后用金相显微镜观察裂纹的形态及走向。

裂纹的周边具有明显的氧化脱碳现象，裂纹末端呈树权形，放大裂纹的末端呈圆角形，可判定该齿轮在锻造过程形成的锻造折叠。

锻造折叠的形成有各种原因，一种是由于相邻金属充填速度不均形成折叠空腔，高温下在空腔的边沿发生氧化脱碳，另一种是由于毛坏表面不清洁，存在毛刺、氧化皮等污物，锻造时就易包裹在钢件中，形成折叠。

还有一种常见形式，即在设计锻造毛坏料时形状不均，过大或过小，在锻造过程中极易形成折叠。

分析建议：

第一、锻造前要将毛坏表面清理干净，去除毛刺、污物，可抛丸处理。

第二、要合理设计锻造毛坏的尺寸。

第三、严格控制现场操作流程，加强锻造后的超声波无损检测，避免宏观观察不到裂纹的质量问题件流入下道工序，造成不必要的损失。

●—≺ 过热引起淬火裂纹 ≻—●

当齿轮淬火后沿齿顶产生横裂纹，剖检裂纹观察裂纹形态圆钝，裂纹两侧品粒粗大，晶粒较为粗大，且裂纹中填充氧化物夹杂。

主要原因是始锻温度接近熔点，炉气中氧化性气氛进人晶界，造成氧化，品粒粗大，在后续淬火过程中材料的淬透性也越高，淬火应力越大，加上氧化物夹杂，故产生了淬火裂纹。

分析建议：在锻造过程中应严格控制始锻温度与终锻温度。

●—≺ 齿轮服役过程中失效裂纹 ≻—●

该齿轮为某机型推土机在恶劣工况下，服役2500h后发生失效断齿，断齿宏观断口，从宏观断口看具有明显的疲劳源、疲劳区及瞬断区，为典型的疲劳断裂。

扫面电镜具有明显的河流花样、舌状花样，判定该齿轮断裂为脆性断裂。

从宏观断口看，齿轮的齿面具有明显的点蚀，且集中于疲劳源区，齿轮在啮合服役时裂纹亚稳扩展过程中断面处不断摩擦挤压，显示光亮平滑。

疲劳区是判断齿轮疲劳断裂的重要特征，从该齿轮断口看，断口比较光滑且分布有贝纹线，主要是由于齿轮啮合服役时，偶然过载引起载荷变动，使裂纹前沿线留下的弧状台阶痕迹。

从瞬断区看，瞬断区较大，说明材料的韧性较差，脆性大。

齿轮在断裂前齿面发生了明显的点蚀，在齿轮啮合过程中，由于接触面最大综合切应力反复作用，在齿轮的接触面若材料的抗剪屈服强度较低，则将在该处产生塑性变形。

推土机在作业过程中，尤其是在矿山、沼泽等环境中，齿轮啮合时会受到较大的冲击。

由于损伤逐步积累，直到齿轮表面最大综合切应力超过材料的抗剪强度时(该齿轮材料的抗剪强度在450MPa)，在齿轮啮合的表面形成裂纹，裂纹的主受力侧与齿面形成<45”的倾斜角。

随着液压油的压入，在齿轮再次啮合时，液压油被密封在裂纹内，并形成高压，迫使裂纹延伸扩展。

裂纹扩展到一定长度后，裂纹的尖端受到啮合齿轮的重复摩擦、冲击造成裂纹尖端应力集中，就会产生二次裂纹，次裂纹方向与原裂纹方向垂直，最终造成裂纹尖端脱落，形成点蚀坑。

从断齿齿块局部放大图，可看出齿轮的倒角不规则，并存在毛刺，齿面的加工精度不高，也易造成麻点剥落。

剖检断齿后淬硬层分布中，可以看出齿轮的齿部已完全淬透，且率火后回火温度较低(160C)，造成齿部脆性较大，冲击性能较差。

研究表明，造成推土机终传动齿轮断齿的主要原因有以下几点：

1. 推土机服役工况恶劣，操作者使用该设备移动超负荷物体时，反复撞击，造成推士机终传动齿轮受到超过材料本身抗剪强度的切应力，长期果积会在某一瞬间造成齿轮断齿失效。
2. 装配时，两啮合齿轮装配不良，造成在啃合过程中齿轮偏载，长期使用过程中局部受力不均而失效。

(3)齿轮表面加工精度不高，降低了接触疲劳寿命。

(4)率火过程中，齿部淬透，而齿部心部没有良好的综合力学性能，增加了脆性，而回火又不够充分，造成齿部冲击性能较差。

(5)齿部麻点是裂纹的起源点，接触应力大、摩擦力较大或表面质量较差(烧伤、淬火不足、夹杂物)时，尤其是经过中频感应淬火后的齿轮，因淬火冷却介质搅拌时产生泡沫附着于淬火工件表面，淬火时易产生软点(淬火部表面硬度低点)，都易产生麻点。

●—≺ 渗碳齿轮磨削裂纹 ≻—●

试验裂纹齿轮为某机型推土机级渗碳齿轮轴，材质表为：

其生产流程为：锻造一车加工一粗、精滚齿一渗碳一高温回火一精加工一淬火一低温回火一磨齿加工一成品，裂纹产生在最后一步磨齿加工工序。

从宏观图片中可以看出，齿表侧有一条长约50mm的裂纹。

通过取样看出裂纹为距表面2mm，在硬化层与基体交界处垂直于表面有一条10-15mm的裂纹。

从微观图片中看出裂纹处表面有一条白亮带(0.10-0.15mm)，通过显微硬度测量，白亮带硬度为618HVo3，白亮带以里硬度为396HVo.3。

从硬度看：表面白亮带表面为磨削过程的二次率火组织，裂纹再次产生，并且产生裂纹一侧均有白亮带出现，金相组织判断分析该齿轮轴渗碳层的残留奥氏体量达到5级(JB/T5944-1991)，判定此裂纹为磨削淬火裂纹。

从下面这个案例可以看下，齿轮表面磨削裂纹为常见磨削裂纹，裂纹呈龟裂状，裂纹方向与磨削方向垂直，且裂纹深度较浅在0.3mm左右，该类裂纹多为磨削应力性裂纹。

由于渗碳工件在渗碳率火后回火不够充分，应力没有完全释放，再加上磨削加工时进给量过大，以及磨削热等因素造成工件在磨削后表面产生拉应力，超过材料抗拉强度而产生裂纹。

再来看一下渗碳齿轮沿晶界产生的裂纹，该种裂纹也比较常见，主要是渗碳过程中保温温度过高造成晶粒长大，淬火时沿晶界产生裂纹。

该类裂纹比较明显，往往率火后宏观检查时就能发现。

渗碳齿轮裂纹产生的主要原因为残留奥氏体过多(30%以上)、磨削进给量过大、磨削热过高、砂轮选用不合理等因素造成。

解决此类问题的有效方法为：

(1)渗碳时采用多用渗碳严格控制炉内碳势(根据怕不同材质的合金系数计算而得，如20CrMnTi最高控制在1.0左右)，避免使用老式井式渗碳炉(即使采用也要增加碳势自动控制系统)。

(2)降低磨削时的进给量(最后一步工序精磨控制在0.03004mm)。

(3)确保磨削冷却效果，时刻检杏磨削液喷洒位置，避免磨削液与磨削位置滞后现象。

(4)合理选择砂轮，在保证加工精度要求下，尽量选用粒度较大、硬度较软的砂轮。

(5)渗碳淬火后，回火温度不宜过低，在保证硬度要求下可适当提高回火温度，回火时间上确保在4~6h。

(6)渗碳过程中保温温度应严格控制，温度过高会造成品粒长大，增加淬火裂纹的风险，一般多用炉渗碳保温温度控制在900-920C，淬火温度控制在830-840C。

●—≺ 结语 ≻—●

推土机用齿轮是传动部分核心部件，尤其是后桥终传动、变器内各级齿轮，其质量一直是各大主机厂关注的重点。

齿轮裂纹、打齿等过早失效将直接导致整台推土机瘫痪，所以这些问题值得重视，要尽可能的避免。