齿轮转动是机械转动中重要的一种传动形式之一，它具有传动效率高、工作可靠、传动比准确结构紧凑、寿命长等优点，在机床、汽车等产品中广泛应用，齿轮通过轮齿啮合传递扭矩和动力，承受较大的交变弯曲应力、接触应力，易产生齿面点蚀、胶合等失效，甚至是断齿。

某齿轮箱中的齿轮轴（见图1），工作过程中载荷较大，材料为18Cr2Ni4W，属于高强度中合金渗碳钢，强度高，韧性好，性能优异，淬透性好，

主要工艺流程：锻造→正火→车削→滚齿→渗碳→去碳→淬火→粗磨→磨齿→精磨。

图  1

热处理要求为渗碳层深1.2mm，淬硬58HRC。零件的热处理过程曲线如图2所示。

图  2

其中一根齿轮轴使用一年后就发生断裂，齿部完好，在φ90mm外圆与齿部之间发生断裂。我们对断裂的轴进行了分析，从齿轮设计、机械加工、热处理等方面提出改进意见，以避免类似情况再次发生。

1.裂纹分析

（1）化学成分

断裂零件取试样进行化学成分分析，如附表所示，成分符合标准。

18Cr2Ni4W钢化学成分（质量分数）  （%）

（2）硬度检测

表面硬度59～60HRC，心部硬度42～44HRC，符合技术要求。

（3）断口形态

 图3为断口的形貌。

图  3

1.裂纹源  2.裂纹扩展区  3.瞬间断裂区

（4）断口分析

断口存在典型的贝壳状花纹，从断口的宏观形貌看，断口由3个具有不同特征的区域组成，1区域为裂纹源，呈半月形，表面黑色，面积约为6mm2；2区域为裂纹扩展区，表面呈细致的瓷状；3区域为瞬间断裂区，形貌粗糙，凹凸较大，具有放射状条纹，约占总面积的50%。属于典型的疲劳裂纹断口。

该齿轮轴断裂发生在沉割槽处，断面上有一小块黑色区域1，表明此处裂纹发生较早，仔细观察零件的断裂处，沉割槽内光洁度很差，有很深的加工刀痕，在热处理过程中此处产生了一个小裂纹，裂纹表面在加热、冷却过程中被氧化，因此呈黑色。裂纹处于沉割槽内，难以被发现。在使用过程中，齿轮轴受交变载荷的作用，裂纹逐渐扩展，此时扩展速度较慢，形成区域2（扩展区），由于18Cr2Ni4W钢的淬透性非常高，心部淬后硬度达42～44HRC，硬度较高，因此扩展区无明显的年轮条纹。疲劳裂纹扩展到一定程度，轴的有效截面缩小，导致强度不足，引起瞬时超载，造成断裂，断面具有快速断裂的特征，由于轴的硬度高，而且工作时受力较大，因此形成的最终断裂区所占的面积较大，约占总面积的50%。

2.改进措施

疲劳破坏对缺陷具有很大的敏感性，一般起源于零件高度应力集中的部分或表面缺陷处，如表面裂纹、软点、夹杂、急剧的转角过渡及刀痕等。导致疲劳破坏的工作应力很低，往往低于材料的屈服强度。在使用一年时间就发生断裂，可见齿轮轴表面的缺陷造成了高度应力集中，降低了抗疲劳强度，大大缩短了齿轮轴的使用寿命，18Cr2Ni4W钢对应力集中比较敏感，尤需加以注意。零件截面发生变化的地方，都会产生应力集中现象。因此对阶梯轴来说，在截面尺寸变化处应采用圆角过渡，而不应加工成易出现问题的沉割槽，各段阶梯外圆之间增加R3～R5mm的圆弧过渡，以降低应力集中。圆弧过渡的加工质量更便于控制，不易出现加工缺陷。提高零件的表面光洁度，也可有效降低应力集中。

图4是改进后的零件结构。

图  4

3.结语

齿轮轴的零件结构、机械加工质量、热处理过程、材料化学成分等各方面的不良因素都会导致轴的失效，因此只有从改善零件的设计结构、严格控制原材料成分、提高机械加工精度、提高热处理过程质量等方面综合考虑，才能保证轴的质量，延长轴的寿命。经过改进后齿轮轴再无断裂现象发生。