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【学术论文】某45钢齿轮断裂分析及改进措施

摘要：通过对某设备４５钢齿轮断裂的深入分析，研究了４５钢

材料的热处理特性和原工艺存在的问题，对断裂齿轮进行了硬度和显

微组织分析，找到了齿轮断裂的原因。针对该型齿轮特点，改进齿轮

加工工艺，增加了齿形粗加工工序，改善了齿轮热处理性能，较好地

解决了齿轮加工出现的问题，保证了产品加工质量，为该型齿轮加工

提供了参考。

关键词：４５钢齿轮；工艺；热处理；显微组织分析；改进方案

齿轮作为传动系统的组成部分，在机械行业有着广泛的应用。４

５钢来源广泛，具有较高的强度和较好的切削加工性，成为加工齿轮

的主要原材料之一［１］。某设备４５钢齿轮在使用过程中出现断裂

现象，其形态为沿齿长纵向方向整齿断裂，断裂面两端部分呈金属光

泽，纹路清晰，中间部分已氧化，无金属光泽，早已出现裂纹。本文

以该４５钢齿轮断裂为研究对象，从工艺、材料、热处理等方面分析

原因，提出改进措施，保证产品质量。

１齿轮零件简介

某设备４５钢齿轮结构如图１所示，其中热处理要求：调质处理

２２０～２５０ＨＢＷ，齿面淬火５８～６３ＨＲＣ，其他主要基本

参数见表１。

2齿轮加工工艺分析

该齿轮的生产流程［２］主要为：毛坯加工（棒料锯割）、粗加

工（粗车外形及内孔）、中间热处理（退火、正火、调质）、精加工

（精车外形及内孔、割键槽）、齿形加工（插齿、滚齿等）、最终热

处理（表面淬火）和表面处理（磷化）等。由于该齿轮要求一定的综

合力学性能，故采用调质工艺作为中间热处理，为后续表面淬火等最

终热处理作组织准备。最终热处理采用高频表面淬火，热处理后不再

进行精加工。

由于４５钢淬透性较差，鉴于该齿轮的尺寸、结构和加工工艺，

该齿轮在做调质处理时，存在调质层深度未能达到节圆以下部分的可

能性，而齿轮在感应加热淬火时在齿根部分存在热影响区，如该区域

未能产生调质组织，则会影响该区域的力学性能，使该区域的弯曲疲

劳强度降低，存在产生裂纹的隐患。

3断裂原因分析

由于４５钢具有较强的淬火开裂敏感性［３－６］，淬火时会引

起齿轮应力的急剧变化，齿轮淬火经过加热、保温和冷却３个过程，

期间会发生热胀冷缩体积变化和金相组织变化，从而产生相应的热应

力和组织应力。齿轮表面淬火时，会受到热应力与组织应力的同时作

用，当叠加的应力增大至超过齿轮抗拉强度时，就会产生裂纹。影响

齿轮热应力、组织应力的主要因素如下。

１）加热速度。加热速度太快，导致受热不均匀，易产生较大的

热应力。

２）加热温度。４５钢加热温度一般选择在Ａｃ３以上３０～５

０℃，温度太低，组织转变不彻底，达不到热处理要求，太高易造成

过热，使奥氏体组织粗大，降低钢的极限强度。

对该齿轮进行齿面硬度分析，齿根处硬度梯度曲线如图２所示。

检测结果表明，齿轮是由于齿根处强度不够，裂纹从齿根附近开

始产生，然后向齿顶处扩展，最后导致整齿断裂。

再对该齿轮齿面显微组织进行分析，金相组织照片如图３和图４

所示。

分析可得，齿根处显微组织为小块铁素体＋珠光体，这是４５钢

在正火状态下的原始组织，由于４５钢的淬透性差，并且截面尺寸较

大，齿根组织并没有在调质（淬火＋高温回火）时如期转化为回火索

氏体为主的显微组织，后期高频淬火时，加热速度极快，奥氏体化用

的时间短，淬火后遗留铁素体，导致组织不合格，硬度降低。而在其

他部位，奥氏体晶粒迅速长大，淬火后获得了较细马氏体，这种组织

使钢的脆性增大，内应力较大。其体积膨胀，而齿轮的感应淬火热影

响区在齿根附近，该区域受到拉应力并在齿根部分形成应力集中，并

且加热过快、温度过高、受热不均匀，存在未溶解铁素体等因素造成

局部区域的拉应力大于材料的局部抗拉强度，最终在该区域产生裂纹

并延伸。另外４５钢淬火温度在Ａｃ３（７８０℃）＋（３０～５

０℃），淬火后硬度能达到５６～５９ＨＲＣ，偏高的硬度容易引起

淬火裂纹，增加了齿轮产生裂纹的隐患。

４齿轮加工工艺改进

上述分析试验表明，产生裂纹的直接原因就是淬火过程中组织应

力超过了齿轮局部的材料抗拉强度。解决的方法主要有两方面：一是

降低组织应力，二是提高热影响区材料抗拉强度，或者两方面同时采

取措施。

针对该型齿轮采取如下措施：１）齿形粗加工完毕后，再进行调

质处理，以增强齿根部材料的抗拉强度；２）将表面淬火硬度降低到

４５～５５ＨＲＣ，以降低