Page 66 - 理化检验-物理分册2025年第二期

宫秀勉：行星齿轮的断齿原因

图 4 1 号齿轮完整齿的微观形貌

图 5 1 号齿轮表面硬化层和心部的显微组织形貌
2023 《金属材料 维氏硬度测试 第1部分：测试方法》 级、显微组织、晶间内氧化深度等均满足相关标准
对试样的表面和心部进行维氏硬度测试。结果如 要求，渗碳层深度未发现明显异常，O元素含量超过
表4所示。由表4可知：1号齿轮表面硬度平均值为 标准要求的上限；1号齿轮主要发生了疲劳开裂，而
667 HV，心部硬度平均值为315 HV，结果符合产品 2号和3号齿轮主要发生了过载断裂，1号齿轮为首
的技术要求。 断件。1号齿轮疲劳源区存在宏观夹杂缺陷，该夹杂
表4 1号行星齿轮的硬度测试结果 HV 缺陷主要由C、O、Mn、Al、S和Ca等元素组成，且

测试位置 实测值1 实测值2 实测值3 平均值 标准值 夹杂物颗粒中Al、O元素含量特别高，推断该夹杂
表面 662 669 671 667 660~800 物为Al 2 O 3 、MnS、CaO组成的混合夹杂物，并以脆
心部 310 314 322 315 ≥263 性夹杂物Al 2 O 3 为主。这些非金属夹杂物的存在破
坏了金属基体的连续性。此外，在热加工应力的作
1.6 渗碳层深度测试
依照ISO 18203：2016《钢表面硬化层深度的测 用下，这些夹杂物容易破碎并形成尖角状，显著增
大了局部应力的集中程度 [5-8] 。在硬化层中，由于硬
定》，采用硬度梯度法，测量1号齿轮表面到维氏硬
度和强度的增大，材料对缺陷的敏感性也随之增大。
度为550 HV处的垂直距离，结果显示1号齿轮工作
Al 2 O 3 、CaO夹杂物作为脱氧过程中的产物，MnS作
面的渗碳层深度为2.3 mm，齿根位置的渗碳层深度
为脱硫过程中的产物，均被归类为冶金缺陷。对于
为2.6 mm，均满足产品的技术要求（2~3 mm）。
需进行表面硬化处理的行星齿轮等机械元件，若缺
2 综合分析 陷存在于硬化层内部或其边界区域，该行星齿轮的
综合上述分析可知，1号齿轮的硬度、夹杂物等 疲劳寿命将显著缩短。尤其当这些缺陷的尺寸达到
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