摘 要：某商场自动扶梯齿轮中部发生断裂，导致扶梯出现逆行故障。采用化学成分分析、硬度试验、金相检验、断口分析方法，对齿轮进行分析。结果表明：发生轮齿断裂的齿轮表面采用渗碳处理工艺，但淬硬层较薄，一旦淬硬层磨损，裸露出软的心部组织从而导致剃齿现象的发生。
　　关键词：扶梯 齿轮 渗碳 淬硬层 失效分析
　　一、情况简介
　　某商场一上行自动扶梯在运行过程中发生逆行故障，检查中发现其主机电动机联轴器一级传动齿轮（以下简称“失效齿轮”）轮齿中部发生断裂，无法与减速箱一级传动齿轮正常啮合（以下简称“啮合齿轮”）。齿轮的相关技术资料均已缺失。为查明齿轮断裂原因，笔者对失效齿轮、啮合齿轮和未失效的下行主机电动机联轴器齿轮（以下简称“下行齿轮”）进行了检验、对比和分析。
　　二、检验与结果
　　1.宏观检验
　　2.化学成分分析
　　对图1所示三个齿轮的表面和心部取样进行化学成分分析，结果见表1。
　　3.维氏硬度试验
　　分别截取失效齿轮端部（具有完整齿形）、啮合齿轮和下行齿轮的齿宽纵向截面， 经镶嵌、磨抛后， 置于显微硬度计上，使用9.807N载荷，加载时间5s，沿轮齿中心线进行显微维氏硬度检测，结果如图2所示。
　　通过硬度法可知，失效齿轮的有效淬硬层深度约为0.7mm，且硬度梯度曲线陡峭；下行齿轮的有效淬硬层深度约为1.3mm，硬度梯度曲线平缓；啮合齿轮最外层硬度值仅为548HV，表明其淬硬层已被磨损。
　　4.金相分析
　　分别截取失效齿轮端部（具有完整齿形）、啮合齿轮和下行齿轮的齿宽纵向截面， 经镶嵌、磨抛，用4%硝酸酒精侵蚀后，利用光学显微镜进行显微组织观察，结果如图3～图8所示。
　　可以看出失效齿轮的齿顶显微组织为针状回火马氏体，心部显微组织为铁素体+珠光体+具有马氏体位向的回火索氏体。啮合齿轮的表层显微组织为回火马氏体+珠光体；心部显微组织为铁素体+珠光体+具有马氏体位向的回火索氏体，表明轮齿的淬硬层已被磨损。下行齿轮齿顶显微组织为回火马氏体+不规则铁素体；心部显微组织为块状铁素体+珠光体[2]。
　　5.断口分析
　　三、分析结论与建议
　　1.分析结论
　　失效齿轮的材质接近于GB/T 3077-1999《合金结构钢》中的20CrMn钢，热处理工艺为渗碳处理，有效淬硬层深度约为0.7mm；下行齿轮的材质接近于GB/T699-1999《优质碳素结构钢》中的45#钢，采用表面淬火工艺，有效淬硬层深度约为1.3mm。失效齿轮的淬硬层较薄，一旦淬硬层磨损，裸露出软的心部组织从而导致剃齿现象的发生。
　　2.建议
　　2.1低碳合金钢一般适用于受力较小的低载荷齿轮。电梯齿轮由于负荷比较高，其材质一般以选用中碳合金钢（wC = 0.4～0.7%）为宜，采用表面淬火工艺；
　　2.2齿轮的工作条件复杂，既要有较高的耐磨性和疲劳强度，也要有较高的韧性，经过表面热处理工艺（渗碳、渗氮或碳氮共渗）后，需保证足够的淬硬层深度，且淬硬层和心部硬度之间要缓慢平滑过度。淬硬层厚度较小时，硬化层容易龟裂，导致硬化层失效。
　　参考文献
　　[1] 金荣植，刘志儒.稀土快速渗碳工艺[J].金属热处理，2004，29（4）：44.
　　[2] 上海交通大学《金相分析》编写组.金相分析[M].北京：国防工业出版社，1982： 224-227.
　　[3] 张栋，钟培道，陶春虎等.失效分析[M].北京：国防工业出版社，2004：2041.