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    大模數齒輪常用于礦山、石油鉆井平臺、機車、鋼廠設備等重大裝備上，齒輪需要具有優良的耐磨性能、抗接觸疲勞性能和抗彎曲疲勞性能。很多學者對于齒輪失效的模式和原因進行了多方面研究，包括組裝不良、過載偏載、輪齒加工不合理及表面缺陷等引起的齒輪斷裂、剝落、磨損等，但對于熱處理原因導致齒輪失效的研究則較少。

     用50CrMoA 鋼生產大模數齒輪，其生產工藝為：熱軋圓料下料→鍛造及碾環→調質→機械加工→感應熱處理(齒廓單齒埋油淬火)→齒面磨削加工。當對磨削后的齒輪進行磨削燒傷抽檢時，發現齒輪中部分齒根區域表面有明顯的亮斑疤。為查明齒輪齒根區域表面斑疤產生的原因，來自中天鋼鐵集團有限公司的葉明明、潘小靜、趙宜三位研究人員對存在缺陷的齒輪進行了一系列理化檢驗與分析。

01理化檢驗

1.1 宏觀觀察

     失效齒輪表面斑疤的宏觀形貌如圖1所示，可見斑疤位于齒寬中部區域的齒根表面，斑疤形狀不規則，呈小塊、發白狀，其長度約為7mm。

1.2 化學成分分析

     從存在缺陷的齒輪上取樣，采用直讀光譜儀對其進行化學成分分析，根據結果可知該齒輪的化學成分符合GB/T 3077—2016 《合金結構鋼》對50CrMoA鋼的要求。

1.3 金相檢驗

     在齒根表面斑疤處截取試樣，經磨制、拋光和侵蝕后用光學顯微鏡對其進行觀察，齒根表面斑疤處的顯微組織形貌如圖2所示。由圖2可知：齒根表面斑疤處表層組織與基體組織顏色不一致，呈深度不均勻的圓弧截面狀，該斑疤處表層組織為萊氏體+粗大一次滲碳體，而表面與內部銜接處的過渡組織為粗大馬氏體+殘余奧氏體，在過渡層下是正常的感應淬火組織(回火馬氏體)。

     齒根表面正常處及心部的顯微組織形貌如圖3所示，可見表面正常組織為回火馬氏體，心部組織為貝氏體+珠光體+鐵素體。

02綜合分析

     由上述分析可知：齒根圓弧表面灰白色斑疤的截面形態為大圓弧形，是典型激光淬火區域的形態；斑疤表層組織為萊氏體+粗大一次滲碳體，與過共晶白口鑄鐵類似；過渡區為粗大馬氏體+殘余奧氏體；在過渡層下是正常的感應淬火組織(回火馬氏體)，說明該齒輪在感應淬火時產生了局部燒熔現象。

     齒輪燒傷或燒熔是感應淬火過程中產生的一種質量缺陷，主要是由齒輪形狀、感應器形狀和電流頻率高低以及感應器與工件的間隙所引起的過熱、過燒造成的，易發生在鍵槽、圓孔和圓弧的邊緣。萊氏體組織只在碳含量(質量分數)不小于4.3%的材料中出現，50CrMoA鋼作為中碳合金鋼，即使出現局部燒熔，也不會產生類似于過共晶白口鑄鐵組織，因此可以判斷，斑疤的產生與該齒輪的齒廓單齒埋油淬火工藝有關。

     齒廓單齒埋油感應淬火工藝的流程為：首先將齒輪裝入淬火設備中，感應器對應齒輪的某單個齒溝，通電而感生渦流，并對齒輪單個齒溝的表層進行加熱(見圖4)；然后將齒輪下降至淬火槽中，槽中的淬火油使齒輪淬冷，冷卻后將齒輪旋轉一個角度，使下一個齒溝對準感應器，完成一個齒溝的感應加熱淬火過程；繼續對齒輪沿齒溝方向進行逐齒溝感應加熱淬火，最終完成一個齒輪的感應加熱淬火。感應器的齒形與齒輪齒形各部分之間的間隙直接影響了齒輪加熱淬硬層的厚度和形狀，齒側間隙過大，會使感應器的加熱效率變低，導致齒輪的加熱效果較差，硬化層較淺，甚至會出現非淬硬區(軟帶)；齒側間隙過小，感應器的加熱效率在各個部位會不一致，導致局部加熱速率過快，形成高溫區，并出現過燒或燒熔現象。

      由齒廓單齒埋油感應淬火過程可知：單個齒溝的表層在加熱時，齒溝表面是黏有一層淬火油的，加熱時淬火油會被高溫燒化。當感應器調整不當或齒形有偏差，造成齒側間隙過小時，感應加熱后容易形成局部高溫區，出現過燒或燒熔現象。淬火油與金屬在快速升溫中一同熔融，淬火油燒化后產生的碳元素溶入表層熔融部位，冷卻后在齒輪齒根區域形成局部高碳的過共晶組織，宏觀表現為斑疤狀的缺陷。

03結論及建議

     該齒輪感應熱處理采用了齒廓單齒埋油感應淬火工藝，因感應器調整不當或齒形有偏差，造成齒側間隙過小，導致齒輪表面燒熔，并產生局部熔融；在快速升溫過程中，齒輪表面黏有的淬火油與金屬一同熔融、燒化，并產生大量碳元素，溶入金屬表層熔融部位，冷卻后在齒輪齒根區域形成局部高碳的過共晶組織，宏觀表現為斑疤狀的缺陷。

     建議選擇合適的齒輪加工方式及加工參數，降低齒輪齒形的加工偏差，以獲得均勻的齒形余量，保證齒輪良好的熱處理性能。