某矿返回的齿轨轮齿面、齿端面及齿顶棱处发生剥落失效，齿棱处剥落的裂纹源位于次表层，如图1所示。
图1 齿轮端面及棱剥落宏观形貌
齿面剥落的深度大于磨损的程度，剥落深度为2~4mm，剥落区约占轮齿的80%，如图2所示。
图2 齿面磨损与剥落宏观形貌
在扫描电镜下分别对剥落及磨损区进行观察，可见剥落扩展区存在脆性裂纹，齿面主要为磨粒磨损，如图3、图4所示。
图3 齿轮端面剥落区微观形貌 图4 齿面剥落及磨损区微观形貌
在其矿返回已剥落的齿轨轮上取样化验，成分化验结果见表1。由表3判定齿轨轮的材质为18Cr2Ni4WA，符合技术要求。
表1 齿轨轮成分化验结果（质量分数） （%）
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元素
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C
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Si
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Mn
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S
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P
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Cr
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Ni
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W
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Cu
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实测值
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0.18
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0.31
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0.43
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0.013
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0.016
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1.46
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4.34
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0.92
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0.061
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标准值（GB/T 3077—2015）
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0.13~0.19
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0.17~0.37
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0.30~0.50
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≤0.025
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≤0.025
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1.35~1.65
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4.00~4.50
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0.80~1.20
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≤0.25
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从已剥落的齿轨轮试样上取样，分别按照GB/T 13299—1991、JB/T 6141.3—1992、GB/T 6394—2017、GB/T 10561—2015标准进行金相检验，结果见表2。
表2 齿轨轮金相检测结果
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试样
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有效硬化层深度/mm
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碳化物级别/级
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金相组织
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齿轨轮
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7.0
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5
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齿面未磨损部分渗层为6.9mm，渗层为网状碳化物加回火隐针马氏体及少量残留奥氏体，马氏体及残留奥氏体评为1级，残留奥氏体含量为4.7%，渗碳层晶粒度级别评为5级，如图6所示；齿心部组织为回火马氏体，心部晶粒度级别评为7级，如图7所示
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由表2可见，渗层碳化物级别评为网状5级，不符合JB/T6141.2—1992要求（1~4级）；渗层晶粒度级别为3级，按GB/T 3480.5—2008要求，齿轨轮属MQ级别齿轮，晶粒度级别细于5级，可见齿轨轮渗层晶粒级别不符合GB/T 3480.5—2008要求。非金属夹杂评为A0.5、B1.0，符合GB/T 3077—2015要求，未发现冶金缺陷，齿轨轮的有效硬化层深度为7.0mm（见图5），符合图样技术要求（6~7mm）。
图5 齿轨轮齿面硬度梯度曲线
图6 齿面渗层组织 图7 齿心部组织
按照GB/T 230.1—2018标准对齿轨轮的齿面、齿心分别进行硬度检测，结果见表3。由表3可见，齿轨轮的齿面硬度不符合技术要求。
表3 齿轨轮硬度检测结果 （HRC）
2）齿轨轮的材质、有效硬化层深度均符合技术要求，齿面硬度不符合图样要求。
3）齿轨轮渗层晶粒度级别不符合GB/T 3480.5—2008标准要求，渗层残留奥氏体含量为4.7%，渗层碳化物不符合技术要求。
齿轨轮传动系统属低速重载的开式传动，使用工况恶劣，润滑条件差，粉尘严重，且在使用过程中经常受到冲击载荷，这种恶劣环境是导致齿轨轮剥落的环境诱因。据GB/T 3480.5—2008标准中的5.6.1总则规定，齿面硬化层深度不能超过规定的最大渗层深度值，否则齿顶有脆裂危险，根据5.6.2对渗碳淬火齿轮的有效硬化层深度的规定，齿轮齿面有效硬化层深度应≤6.0mm，因为过深的有效硬化层会增加齿轮表面脆性，且使得渗层内的残余压应力超过齿尖附近表面的抗拉强度，所以易使表面与心部分离，造成剥落。1）齿轨轮渗层存在严重的网状碳化物，割裂了金属的连续性，降低了渗碳层的强度及韧性，是致使齿轨轮剥落的一个原因。2）渗碳层原奥氏体晶粒为3级，不符合GB/T 3480.5—2008标准中晶粒度细于5级的要求，粗大的晶粒致使齿轨轮渗层的冲击韧度及塑性降低。3）齿轨轮经过－80℃的深冷处理（保温2h），齿轨轮渗层的残留奥氏体含量仅为4.7%，降低了渗层中裂纹扩展因子KIC，不易使裂纹尖端钝化，增加了渗层的脆性，降低了齿轨轮表面的压应力。4）由于齿面较高的硬度，提高了齿表面的脆性，因此齿轨轮渗层存在网状碳化物甚至粗大的网状碳化物，较少的残留奥氏体、过高的硬度是造成齿轨轮剥落的主要原因。
