齒輪轉動是機械轉動中重要的一種傳動形式之一，它具有傳動效率高、工作可靠、傳動比準確結構緊湊、壽命長等優點，在機床、汽車等產品中廣泛應用，齒輪通過輪齒嚙合傳遞扭矩和動力，承受較大的交變彎曲應力、接觸應力，易產生齒面點蝕、膠合等失效，甚至是斷齒。

某齒輪箱中的齒輪軸（見圖1），工作過程中載荷較大，材料為18Cr2Ni4W，屬于高強度中合金滲碳鋼，強度高，韌性好，性能優異，淬透性好，

主要工藝流程：鍛造→正火→車削→滾齒→滲碳→去碳→淬火→粗磨→磨齒→精磨。

圖  1

熱處理要求為滲碳層深1.2mm，淬硬58HRC。零件的熱處理過程曲線如圖2所示。

圖  2

其中一根齒輪軸使用一年后就發生斷裂，齒部完好，在φ90mm外圓與齒部之間發生斷裂。我們對斷裂的軸進行了分析，從齒輪設計、機械加工、熱處理等方面提出改進意見，以避免類似情況再次發生。

2.裂紋分析

（1）化學成分

斷裂零件取試樣進行化學成分分析，如附表所示，成分符合標準。

18Cr2Ni4W鋼化學成分（質量分數）  （%）

（2）硬度檢測

表面硬度59～60HRC，心部硬度42～44HRC，符合技術要求。

（3）斷口形態

 圖3為斷口的形貌。

圖  3

1.裂紋源  2.裂紋擴展區  3.瞬間斷裂區

（4）斷口分析

斷口存在典型的貝殼狀花紋，從斷口的宏觀形貌看，斷口由3個具有不同特征的區域組成，1區域為裂紋源，呈半月形，表面黑色，面積約為6mm2；2區域為裂紋擴展區，表面呈細致的瓷狀；3區域為瞬間斷裂區，形貌粗糙，凹凸較大，具有放射狀條紋，約占總面積的50%。屬于典型的疲勞裂紋斷口。

該齒輪軸斷裂發生在沉割槽處，斷面上有一小塊黑色區域1，表明此處裂紋發生較早，仔細觀察零件的斷裂處，沉割槽內光潔度很差，有很深的加工刀痕，在熱處理過程中此處產生了一個小裂紋，裂紋表面在加熱、冷卻過程中被氧化，因此呈黑色。裂紋處于沉割槽內，難以被發現。在使用過程中，齒輪軸受交變載荷的作用，裂紋逐漸擴展，此時擴展速度較慢，形成區域2（擴展區），由于18Cr2Ni4W鋼的淬透性非常高，心部淬后硬度達42～44HRC，硬度較高，因此擴展區無明顯的年輪條紋。疲勞裂紋擴展到一定程度，軸的有效截面縮小，導致強度不足，引起瞬時超載，造成斷裂，斷面具有快速斷裂的特征，由于軸的硬度高，而且工作時受力較大，因此形成的最終斷裂區所占的面積較大，約占總面積的50%。

2.改進措施

疲勞破壞對缺陷具有很大的敏感性，一般起源于零件高度應力集中的部分或表面缺陷處，如表面裂紋、軟點、夾雜、急劇的轉角過渡及刀痕等。導致疲勞破壞的工作應力很低，往往低于材料的屈服強度。在使用一年時間就發生斷裂，可見齒輪軸表面的缺陷造成了高度應力集中，降低了抗疲勞強度，大大縮短了齒輪軸的使用壽命，18Cr2Ni4W鋼對應力集中比較敏感，尤需加以注意。零件截面發生變化的地方，都會產生應力集中現象。因此對階梯軸來說，在截面尺寸變化處應采用圓角過渡，而不應加工成易出現問題的沉割槽，各段階梯外圓之間增加R3～R5mm的圓弧過渡，以降低應力集中。圓弧過渡的加工質量更便于控制，不易出現加工缺陷。提高零件的表面光潔度，也可有效降低應力集中。

圖4是改進后的零件結構。

圖  4

3.結語

齒輪軸的零件結構、機械加工質量、熱處理過程、材料化學成分等各方面的不良因素都會導致軸的失效，因此只有從改善零件的設計結構、嚴格控制原材料成分、提高機械加工精度、提高熱處理過程質量等方面綜合考慮，才能保證軸的質量，延長軸的壽命。經過改進后齒輪軸再無斷裂現象發生。