以起重机齿轮箱中的20CrMnTi渗碳齿轮为研究对象，从金相分析、化学成分分析、断齿宏观形貌分析、硬度测试、扫描电镜分析等方面出发，对该尺寸的断裂失效问题进行原因分析。最后，进行数据汇总分析，可发现齿轮齿根部在淬透性不足下会使心部无法获得马氏体组织，相反在产生贝氏体组织后易在应力过载下产生裂纹，且裂纹持续增大会使齿轮断裂。

对于20CrMnTi渗碳钢的应用而言，基于其淬透性较高的优点，为确保材料具有坚硬耐磨的表面和较高硬度的心部，可以进行渗碳淬火处理，同时该材质也有着较高的环境适应能力，在低温中有着较高的冲击韧性。结合材质特性，在进行轴承轴、齿轮的制造生产中，多应用该材料，可使零件适应其所处的高负荷、高转速和高摩擦等环境。以某齿轮制造企业的渗碳齿轮生产看，其材料为20CrMnTi渗碳钢，参考客户应用一段时间后的反馈看，部分齿轮的断裂问题较为明显，经济损失较大且干扰作业进度。因此，有必要对断齿进行质量缺陷分析，以期提高齿轮生产质量。

在案例齿轮制造中，具体为低速直齿圆柱齿轮，可应用于起重机的齿轮箱中，为确保其齿轮强度和性能，该厂选择20CrMnTi渗碳钢材质进行制造。其制造工序有以下方面：第一，进行原配锻造和原材正火处理；第二，对钢坯进行粗车、半精车和精车操作；第三，结合尺寸需求进行滚齿并做好毛刺处理；第四，进一步剃齿，完成后开展关键的渗碳淬火处理；第五，进行回火，消除应力。不过结合客户反馈在出现较高齿轮断裂故障下，需要进行故障原因分析。

应用多方面检测技术可以提高断裂原因的研究可靠性，具体而言，化学成分的分析可以借助离子体质谱仪，例如有C/S分析仪及电感耦合等；齿轮断齿位置的宏观形貌可以直接进行拍照记录；金相组织了解可借助Leica DM 1500光学金相显微镜；渗碳层硬度则借助HV-5型小负荷维氏硬度计（载荷1kg）；显微组织及断口的微观部分，可以使用环境扫描电子显微镜（SEM），一般型号选择FEI Quanta 250型。

齿轮材料成分探究：对20CrMnTi渗碳齿轮进行成分分析 ，其检测结果可以参考表1。结合表1，Cr、Mn、Si、C等元素的含量皆符合GB/T3077—1997 《合金结构钢》 中，对20CrMnTi材料的指标要求。因此，可判断材料因素不是齿轮断裂的关键。

表 1   齿轮化学成分

断齿宏观形貌分析：在轮齿齿根的弯曲应力最大处为齿轮断口，同时断裂位置存在凹凸不平的特征。借助肉眼还能观察到断齿上面的放射性条纹。因此，可判断断齿受过载应力影响，出现强制破断。

齿根部的金相观察：对齿根部进行金相观察分析，通过检测对应的心部显微组织和渗碳层碳化物参考图1。渗碳层残余碳化物级别为1级，需对心部进行观察；心部贝氏组织，且内部夹杂着黑色物质。综上，在齿根心部应该为回火马氏体组织下，其金相组织检测发现问题，其组织未达到质量要求。初步判断齿轮断裂跟金相组织相关。

图 1 齿根位置心部显微组织和渗碳层碳化物

断齿硬度测试讨论：在完成齿轮材料性能和金相组织等方面检测后，还需要直接对断裂齿轮进行根部硬度检测。具体以正常齿轮齿为研究对象，以 GB/T 9450—2005 为检测标准，以根部转角作为检测位置，合理开展维氏硬度检测。经过科学的操作和检测，齿轮根部转角位置的渗碳层深度（CHD550HV1）约为1.4mm，且齿面平均硬度（HV）为650。经过检测数据的分析，满足碳钢渗碳的参数要求，能初步判断渗碳层深度不影响齿轮断裂。

齿根微观组织观察：为了验证金相组织观察的结果，还需针对齿根部进行微观方面的观察。其齿根位置心部和渗碳层的扫描电镜参考图2，齿根部表层组织均为回火马氏体，且马氏体级别在4~5级之间，证明组织良好；过渡区逐渐出现了贝氏体，证明心部可能存在缺陷；心部皆为上贝氏体，且上贝氏体中的碳化物有着不规则及续片状，于铁素体条间存在。

图 2   齿根位置心部和渗碳层的扫描电镜

齿轮断口分析：针对断齿部位，分别切取断口和断口表面附近的纵剖面，对断裂原因进行进一步分析。

断口的形貌：开展齿根位置的断口形貌分析。具体而言：微观观察渗碳层的齿轮断口，其断口为冰糖状，为沿晶脆性断裂；观察心部的断口形貌，一方面存在撕裂岭，有穿晶准解理断口；另一方面存在明显夹杂物，主要为硫化锰、氧化铁的复合物。

附近纵剖面：断口纵剖面进行扫描电镜后，其表层有明显的挤压变形现象，可验证齿根断裂的裂纹源位置。其次，裂纹源区的塑形变形区尺寸约为80～90μm，可分析在裂纹扩展到80～90μm后，齿轮结构出现失稳问题，最终断裂故障产生。

首先，化学分析、硬度测试后，可得出齿轮成分符合材质要求 、齿轮平面硬度和渗碳层深度良好等结果，可证明齿轮断裂的因素可以排除制造材料成分和渗碳层深度。其次，对内部组织进行金相组织研究，在齿根心部错误形成上贝氏体组织，而非正常生成回火马氏体组织下，金相组织不符合要求，初步判断为断齿原因。同时开展齿根微观形貌观察，其表层为回火马氏体组织，且级别为4~5级，验证金相组织观察。最后，对齿轮断口进行研究，内部碳化物为断续片状，易提高渗碳层脆性，进一步降低上贝氏体的韧性。因此，心部出现上贝氏体组织是断齿的直接原因，而根本原因是齿轮的尺寸较大，制造工艺未改进会影响其淬透性，无法保证正常生成回火马氏体组织。

积极开展齿轮断裂原因的分析，能为齿轮制造工艺的改进奠定基础。具体而言：齿轮断裂位置为齿根部；齿轮断裂外力为交变应力作用；齿轮断裂特征中，外力影响下会先产生裂纹，并在裂纹增加到80~90μm后齿轮结构失稳，出现瞬间断裂；齿轮断裂原因，是受齿轮过大影响，20CrMnTi钢的淬透性略有不足，使心部生成上贝氏体组织，无法正常生成马氏体组织，其片状碳化物易促进裂纹扩展。在明确齿轮断裂原因后，能优化后续制造工艺，经过齿轮热处理等工艺的改进，能提高齿轮的质量并促进企业发展。