摘要：用硬度法、金相法等测试方法分析了玉米收获机剥皮辊直齿锥齿轮断齿的原因。结果表明，断齿的主要原因是：渗碳工艺中渗碳层深度超过了设计要求，导致轮齿横截面都被渗透，经淬火回火后，轮齿韧性下降，在剥皮过程中，轮齿齿面承受较大冲击负荷，轮齿易断裂。

    某企业新近生产的玉米收获机在首次收获作业时，剥皮辊直齿锥齿轮屡屡出现断齿现象，因此该企业委托我单位对其断裂原因进行失效分析。玉米收获机在进行收获作业剥皮过程中，剥皮辊直齿锥齿轮主要担负着传递扭矩，同时改变运动方向的工作。如果该零件断齿失效，收获机就无法进行剥皮工作，直接影响收获作业。因此，作者对其进行失效分析，以期提出切实可行的解决办法。

    1 齿轮的技术要求
    该齿轮为该企业委托外协企业加工，技术文件为设计图纸，具体要求为：材质20CrMnTi，热处理工艺为渗碳淬火，渗碳层深度0.8～1. 2 mm，轮齿表面硬度58～62HRC，轮齿心部硬度33～48 HRC，金相组织图纸未做要求。

    2 试验方法
    观察齿轮的外观、断口形貌，对金相组织、渗碳层深度、成分、硬度进行测试分析，在此基础上对齿轮失效原因进行分析。
    2.1断口初步分析
    直齿锥齿轮样品如图1所示，两件齿轮为同一批次、同一规格产品，加工工艺与热处理工艺完全相同。为了方便表述和区分，断齿齿轮编为样品A，未使用齿轮编为样品B。仔细观察样品A的断口形貌，轮齿从根部偏上部位断裂，应属于脆性断裂失效范围。并且仔细观察样品A与样品B，两件样品外观无明显车痕等应力集中点。

    2.2样品成分分析
    两件齿轮都是同一批材料加工而成，由于两件样品均已渗碳处理，为避免制样后给分析带来的影响，因此经我方建议，该企业提供了制造该直齿锥齿轮的同一批次锻钢原料，经我单位光谱实验室直读光谱仪检测分析，样品的主要化学成分见表1。从表1可以看出，该齿轮原料符合GB/T 3077-1999中20CrMnT钢的化学成分要求（见表2。

    2.3样品洛氏硬度测试
    对样品A和样品B轮齿表面及轮齿心部做洛氏硬度测试。测试前，首先使用线切割设备切取样品A与断齿位置相邻的一个完整的轮齿，切取样品B任意一个完整的轮齿；然后清洗表面的油渍、污物；接着沿轮齿齿宽中部法向横截面分别将样品A与样品B的完整轮齿切成两块，选取其中一块测试；轮齿表面硬度测试位置为齿宽中部节圆附近的表面，心部硬度测试位置为齿宽中部横截面上轮齿中心线与齿根圆相交处。硬度测试结果见表3及表4。



    从表3与表4看出，样品A与样品B轮齿表面硬度均达到设计要求（58～62 HRC ），但是轮齿心部硬度超过设计要求值上限，可以初步判断可能是渗碳层深度超过了设计要求，经过淬火回火后硬度过高。
    2.4金相组织分析
    用砂轮将洛氏硬度测试完的样品A与样品B轮齿横截面稍微磨平（磨时应用水冷却，以免试样的组织因受热而发生变化）；接着把磨平、洗净、吹干后的试样A与试样B用手工依次在由粗到细的各号砂纸上磨制，再抛光（抛光机抛光）；最后采用4％硝酸酒精溶液浸蚀后用电吹风吹干试样表面，在400倍金相显微镜下对横截面进行金相观察。
    样品A：轮齿表面组织为针状马氏体及大量残余奥氏体，无明显碳化物，见图2；心部组织为回火马氏体及残余奥氏体，见图3。



    样品B：金相组织与样品A基本相同，见图4及图5。



    从图3、图5可以看出，样品A与样品B轮齿心部组织不是渗碳淬火回火后的正常组织，正常组织应为回火马氏体＋铁素体（淬透）或铁素体＋托氏体（未淬透）。考虑到20CrMnTi是中淬透性渗碳钢，油中临界直径25～60 mm，理论上轮齿心部组织应为回火马氏体＋铁素体，原因可能是渗碳层达到轮齿心部，经淬火回火后组织出现异常。
    从图2、图4可以看出，样品A与样品B轮齿表面组织马氏体晶粒粗大，存在大量残余奥氏体，为非正常组织。原因可能是淬火加热过程中，淬火温度在Accm以上，导致奥氏体晶粒粗大，使淬火后马氏体晶粒也粗大，且残余奥氏体量增多，再加上低温回火时间不足，淬火后的马氏体组织没有完全转变为回火马氏体，大量的残余奥氏体完全没有转变成碳化物和回火马氏体，这些因素将使轮齿脆性增加。
    2.5渗碳层深度分析
    为证实金相分析得出的结论，作者使用维氏硬度计对样品A与样品B轮齿分别做了渗碳层深度的分析，分析参照与依据标准分别为GB/T 25744 - 2010钢件渗碳淬火回火金相检验、QC/T 262-1999汽车渗碳齿轮金相检验、GB/T 9450-2005钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核。结果见表5、表6。

    根据表5、表6，以距轮齿表面距离为横坐标，硬度值为纵坐标绘制硬度分布曲线，见图6、图7。由于距轮齿表面6. 0 mm处已超过轮齿中心线，因此无法确定标准规定的550HV处压痕至轮齿表面的距离（这一距离为标准规定的渗碳层深度），所以550HV处压痕在整个轮齿横截面是不存在的。综合金相分析结论，可以认定轮齿从表面至心部都被渗碳。受条件限制，关于从轮齿表面至心部碳浓度变化这里不做探讨。

    3 轮齿断齿原因与建议
    该企业所委托的外协加工企业，由于在热处理环节中没有控制好渗碳工艺，导致轮齿整体都被渗碳，并且在淬火时没有控制好淬火温度，导致轮齿表面组织异常，直接导致齿根心部韧性下降，轮齿表面脆性增加。在玉米收获机剥皮过程中，轮齿齿面及齿根心部承受较大冲击负荷，轮齿易断裂。因此建议该企业加强质量管理与控制，修改设计图纸，达到轮齿表面及心部金相组织要求，同时对购进的每一批次直齿锥齿轮进行抽检，重点对渗碳层深度与金相组织进行检验，同时及时与外协加工企业沟通，反馈检验结果，促使其改进热处理工艺。