为了对减速机齿轮的开裂原因进行研究并提出相应的改进措施，利用体式显微镜、扫描电镜、直读光谱仪和金相显微镜研究了齿轮的裂纹形貌、化学成分和微观组织。结果表明: 齿轮的化学成分和硬度符合技术要求。齿轮的有效硬化层深度超过了技术要求，这会导致芯部受到较大的拉应力，是导致开裂的第 1 个原因。裂纹源位于断口芯部，并且有较多的 O、Al、Ca、Na 等元素组成的非金属夹杂物，这些夹杂物硬度较高，容易割裂材料的基体，受到外力时容易产生应力集中形成裂纹源，是导致开裂的第 2 个原因。针对上述开裂原因制定相关的改进措施，首先是不允许拼炉混装，其次是减少材料中的夹杂物。通过上述工艺改进，彻底解决了齿轮的早期开裂问题。

减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮( 或蜗杆、齿轮-蜗杆) 传动所组成的独立部件，一般在原动机和工作机之间起匹配转速和传递转矩的作用，在冶金、有色、煤炭、建材、工程机械及石化等行业有极为广泛的应用[1]。某减速机在装配后试运行时发生异响，打开减速机壳体发现其锥齿轮小端部位出现了掉块，其二维平面见图 1 所示，减速器齿轮长 302 mm，模数 11，大端模数 10.68，速比 3.545，在装配后试车 15 min 后发现齿轮出现碎裂，其服役环境是在有润滑油的封闭箱体内，最高转速为 1850 r /min，输出扭矩 12 000 N·m，这种齿轮的早期失效会导致减速机不能正常服役，从而延长了交货期限。生产单位决定对本批次总共 27台减速机齿轮的风险进行评估，对开裂的齿轮进行了失效分析以便于采取相应的针对性措施。

齿轮机加工流程为: 下料→锻造→调质→粗车( 各个表面至 3.2 μm) →半精车( 各个表面)→滚齿→倒角→渗碳→车螺纹部位渗碳层→淬火+低温回火→磨齿( 内孔、端面) →清洗→强化喷丸→清洗→成品检查入库。其锻造温度为 1 200 ℃，调质工艺为 880 ℃ ×2 h油冷淬火+ 530 ℃ × 2.5 h 高温回火，半精车∅43mm、∅57mm、∅65mm、∅70mm、∅174mm、∅34.5 mm，渗碳淬火工艺为 920 ℃ ×6 h 渗碳+830 ℃ ×2 h 油冷淬火+200 ℃×3 h 低温回火，磨齿成形精度至 0.8 μm，喷丸覆盖率 120%。其断口见图 2a 所示，在齿轮小端( 见椭圆区) 出现了开裂，小端的尖角部位从体上出现了剥落，断口近似呈三角形，长度 24 mm，宽度 8 mm，见图 2b所示，断口的外周边是渗碳淬火层。将断口进行超声波+丙酮清洗并在VHX -6000 数码显微镜下观察，见图 2c所示，可看出断口芯部有白色亮点( 见椭圆区) ，从白色亮点位置向四周扩散的纹路，说明此处就是所寻找的裂纹源，要对此处进行重点分析。图 2d 是裂纹扩展区的裂纹形貌，从图中可看出是解理断裂，部分晶粒表面受到了磨损; 图 2e 是图 2b 方框位置的断裂形貌，此处是断口的渗碳层位置，可看出该处的断口是沿晶+撕裂棱，说明该处的硬度较高; 但是图 2d和图 2e 的形貌无异常，可知其成分也无异常。

齿轮的材料是20CrMnMo 合金钢[2],在靠近 M36螺纹处和芯部分别取厚度为12 mm 试样,依据 GB /T4336－2002《碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法》,用 CX -9600 直读光谱仪检测化学成分，结果见表1; 和 GB /T 3077－1999《合金结构钢》中规定的元素相比，渗碳层区的含碳量较高，其余元素符合国家标准。

减速机齿轮的表面要求渗碳，其有效硬化层深为1.8～2.1 mm，表面硬度要求 59～64HＲC，芯部硬度要求34～40 HＲC。在图 2b 中方框位置取垂直于齿部样块，然后打磨、抛光，再用 3%硝酸酒精腐蚀，在VHX -6000数码显微镜下观察其表面和芯部的显微组织见图 3a和图 3b。据 GB /T13298－1991《金属金相组织检验方法》和 GB /T25744－2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》，表面显微组织为M针+A残可评为2级，芯部为M低碳+F游可评为3级，均符合技术要求。据GB /T9450－2005《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》,用 DHV -1000 显微维氏硬度计对齿部测量，表面硬度为 62 HＲC ( 维氏换算洛氏，下同)，芯部硬度为38HＲC，符合技术要求，有效硬化层深为 2.5 mm，超过技术要求。