減速機の歯車割れ：原因と解析技術

歯車減速機の内孔キー溝孔壁面と歯車端面の円周方向複数箇所に、工場での歯車研削加工に伴う亀裂が発見された。歯車本体の材質は18CrNiMo7-6。

製造工程： 粗加工→浸炭焼入れ＋焼戻し→仕上げ（キー溝開けなど）。

ギアクラックの原因を特定するため、一連の試験と解析が行われた。

1.テストのプロセスと結果

1.1 マクロ検査

ギヤの外周、内孔キー溝孔壁、端面の円周方向に亀裂が発見された。端面のクラックの中には、図1のように両側がコックアップしているものもあった。

クラックに沿って開き、破壊形態を観察した。ほとんどの亀裂は、微細な磁器の銀色の金属光沢を示し、以前の亀裂は確認されなかった。キー溝の根元の角がクラックの発生源と判断された。

図1 ギヤクラックの位置と形態

図2および図3に示すように、クラック発生源の周囲には明らかな放射状のパターンとティアエッジが見られ、高応力脆性破壊の形態を示している。

キー溝は粗く、ワイヤーで切断した跡がはっきりと残っている。

図2 歯車破断のマクロ形態

図3 ギヤクラックの発生場所

1.2 化学成分検査

ギアの化学組成はICP（誘導結合プラズマ）発光分光分析装置を用いて分析され、その結果はEN 10084-2008 Technical Delivery Conditions for Carburizing Steelの要件を満たしていた。

テスト結果は表1を参照。

表1 ギヤの化学成分（質量分率）（%）

1.3 硬度および金属組織検査

ギアの浸炭層の深さは約1.58mmです。歯面の平均硬度は725HV1、中心硬度は43.0HRCで、いずれも図面の技術要求に合致している。

GB/T 10561-2005「非金属の含有量の決定」の方法Bによる。 鉄鋼中の介在物 - 標準評価表による顕微鏡検査では、すべてのタイプの非金属介在物が0.5等級より優れている。

GB/T6394-2017 Determination of Average Grain Size of Metalsによると、粒度は6.5である。

ギヤの浸炭層は、少量の微細な粒状炭化物、粗大な針状マルテンサイトなどから構成され、さらに保持されている。 オーステナイト.

GB/T 25744-2010 Metallographic Examination of Carburizing, Quenching, and Tempering in Steel（鋼の浸炭、焼入れ、焼戻しの金属組織検査）に基づき、炭化物はグレード1、マルテンサイトはグレード5、焼戻しはグレード6と評価されている。 保持オーステナイト 図 4 に示すように、GB/T 3480.5-2008 スパーおよびヘリカルギヤの耐力計算-第 5 部：材料の強度と品質 の浸炭鋼表面組織と保持オーステナイト量の要件を満たしていない。

図4 浸炭層構造（500 ×)

試験片は、クラックの発生源から切り出して研磨し、4%硝酸アルコール腐食液で腐食させて得た。

顕微鏡で観察すると、キー溝の表面には白く明るい層が観察され、粗く、根元が不規則で、マイクロクラックが存在しているように見えた。

図5を見ると、浸炭は見られない。 脱炭 マイクロクラックの両側にある。

図5 ワイヤーカットによる白色光沢層（500×）

2.分析と考察

レデューサーのギアはテストを受け、その結果、以下のことが判明した。 素材構成介在物、粒度、硬度、貫入深さはすべて必要条件を満たしている。

歯車割れの主な原因は以下の通り：

1）ワイヤーカット速度が速いと、ギヤのキー溝が粗くなり、加工痕が目立ち、トランジションフィレット形状が不規則になる。これらの要因により、キー溝への応力集中が促進され、亀裂の発生源となる。その後、研削応力により亀裂は徐々に拡大し、ギヤクラックとなる。

さらに、ワイヤーの送り速度が速いと、キー溝の表面に白い層が形成され、この層には多数のマイクロクラックが含まれる。これらのマイクロクラックは、その後の工程でクラックの原因となる。

鋭利な凹状のコーナー、凸状のエッジ、切り欠きのある部品の製造や使用時には、これらの部分の移行部に大きな応力集中が発生する。その結果、亀裂が生じることがある。

さらに、工作機械の精度や工具の刃先形状、部品加工時の操作によって生じる加工面の荒いツールマークも、応力集中の一因となり、性能を低下させる。

点検の結果、ギヤのキー溝の表面は荒れており、加工工具の跡が確認できた。キー溝の根元のフィレット形状が不規則で、応力集中が大きい。

2）キー溝の表面には、ワイヤーカットによって生じた白い光沢層があった。この層は焼入れ層であり、残留オーステナイトを多量に含んでいる。 マルテンサイト となり、大きな応力が発生する。トランジション・フィレットに応力が蓄積すると、応力集中が増大し、マイクロクラックの形成につながる。

さらに、浸炭層のマルテンサイト針が厚くなり、残留オーステナイト量が過剰になるため、ギアの強度が低下し、もろくなる。

さらに、保持されたオーステナイトは室温で焼入れマルテンサイトに変態し続け、大きな残留物を生成する。 内部応力 そしてクラックの成長を加速させる。

3.結論と提案

ギヤワイヤの高速切断により、キー溝の表面は粗くなり、トランジションフィレットの形状は不規則になり、加工面には白い光沢層が発生する。この層はキー溝の応力集中を強め、亀裂の原因となる。研削応力と 残留応力クラックは時間とともに徐々に拡大していく。

浸炭前にキー溝をフライス加工することを推奨する。浸炭後にワイヤーカットが必要な場合は、キー溝の根元のトランジション・フィレットの適切な形状を確保し、キー溝の加工品質を向上させるために、ワイヤー速度を制御する必要がある。白い光沢層が避けられない場合は、ワイヤー切断後に手作業で研磨して除去する必要がある。