宗國慶 董 霞 高 彤 田光榮

(內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團有限公司，包頭 014033)

齒輪在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，用于變速器、傳動系統(tǒng)齒輪的制造加工已是成熟技術(shù)，但是因齒輪引起的失效仍然時常發(fā)生。筆者所分析的案例中機床傳動系統(tǒng)雙聯(lián)直齒輪使用不到一年即發(fā)生了齒面斷裂。為了分析齒輪破損斷裂的原因，界定事故責(zé)任，對斷裂齒輪展開了理化檢測與分析，應(yīng)用硬度測試、顯微觀察及化學(xué)分析等技術(shù)方法，確定了齒輪存在的瑕疵，對事故原因作出了科學(xué)合理的解釋，為改進生產(chǎn)工藝、優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量提供了技術(shù)依據(jù)。

1 齒輪生產(chǎn)制造工藝

雙聯(lián)直齒輪采用20CrNiMo材料，鍛造、機械加工成型后，進行表面滲碳、淬火及低溫回火熱處理，技術(shù)要求規(guī)定：成品齒輪表面淬硬層深度為1.5 ～ 2.5 mm，表面硬度為54.0 ～ 58.0 HRC，芯部硬度為30.0 ～ 42.0 HRC。

2 齒輪斷裂現(xiàn)象與特征

齒輪斷裂發(fā)生在齒部，斷裂位置從節(jié)圓上部齒廓斜向至另一側(cè)齒根與整體齒輪分離，見圖1。圖1中ab為齒輪斷裂面，觀察斷口有機械損傷，但仍然可以看出裂紋擴展疲勞弧線及在不同高度形成的臺階棱面，見圖2。

圖1 齒輪斷裂示意圖

圖2 齒輪斷裂宏觀斷口形貌

由圖2可見，首先發(fā)生開裂的位置在斷裂齒廓a與齒輪端面交界處，裂紋源及擴展區(qū)放大形貌見圖3，根據(jù)擴展區(qū)數(shù)條以裂源為中心形成的同心圓平行弧線特征可以確定齒輪屬于疲勞斷裂。在斷裂齒廓面上裂紋起始位置附近仍可見到同方向生成的裂紋和一些麻點、麻坑缺陷，見圖4-圖6。

圖3 裂源及擴展區(qū)形貌(12.5×)

圖4 斷裂齒廓面裂紋(12.5×)

圖5 斷裂齒廓面麻點、麻坑(7.5×)

3 理化檢測分析結(jié)果

3.1 裂紋微觀形貌

在裂紋處取樣，平行于齒輪端面磨制后用GX-51光學(xué)金相顯微鏡觀察，裂紋與齒廓表面以一定角度向基體內(nèi)延伸擴展，主裂紋旁有分支微細(xì)裂紋或呈網(wǎng)絡(luò)沿晶狀，裂紋內(nèi)有灰色產(chǎn)物，見圖7，裂紋兩側(cè)無氧化脫碳和非金屬夾雜物聚集現(xiàn)象，但檢查發(fā)現(xiàn)齒廓表面有局部脫碳現(xiàn)象，脫碳層深度為0.07～ 0.20 mm。

圖6 齒廓面麻點、麻坑放大

圖7 裂紋微觀形貌(200×)

3.2 微觀斷口分析

將齒輪斷口試樣經(jīng)超聲波震蕩儀清洗后，用掃描電鏡觀察斷裂的微觀形貌，在擴展區(qū)斷口仍可見到等間距分布的疲勞條紋，見圖8。

圖8 斷口擴展區(qū)疲勞條紋

3.3 滲碳層檢測

3.3.1 滲碳層深度

采用維氏硬度法用FEM-7000顯微硬度計測量鑲嵌試樣的滲碳層深度，測試結(jié)果列于表1，測得該齒輪滲碳有效硬化層深度為0.70 mm，遠低于1.5～2.5 mm的規(guī)定要求。

3.3.2 滲碳層硬度分布

由表1可知，滲碳層硬度分布規(guī)律出現(xiàn)單駝峰型，最表層硬度并不是最大值，深度達到0.55 mm時硬度為最高，很快又開始下降，如此的硬度分布規(guī)律反映出齒輪滲碳工藝存在異常。

表1 維氏硬度法測定的顯微硬度值

對斷裂齒輪齒廓表面及芯部進行洛氏硬度檢測，結(jié)果列于表2，由表2可知，斷裂齒輪表面及芯部硬度均未達到技術(shù)要求。

表2 洛氏硬度測定結(jié)果

3.3.3 滲碳層及芯部顯微組織

經(jīng)金相檢測齒輪滲碳層由表及里的組織為托氏體→回火馬氏體+托氏體→回火馬氏體+貝氏體→索氏體+鐵素體(芯部)。

表層滲碳組織為托氏體不是正常滲碳應(yīng)得到的組織，這正是齒輪表面硬度低的原因，說明滲碳過程中爐內(nèi)碳勢氣氛濃度不足，破壞了正常滲碳的平衡狀態(tài)，造成齒輪最表層碳含量降低或發(fā)生脫碳，使?jié)B碳淬火后表面形成極薄的一層托氏體組織[1]；而芯部滲碳淬火后得到索氏體和鐵素體組織，主要是齒輪尺寸較大，沒有達到淬火效果，因而芯部不能獲得理想的硬度和韌性。

3.4 齒輪基體夾雜物和晶粒度檢測

非金屬夾雜物按GB/T 10561-2005標(biāo)準(zhǔn)檢測后評級為：A1.0e，B0.5，C0，D1.0，DS0。

實際晶粒度按GB/T 6394-2002標(biāo)準(zhǔn)檢測，材料內(nèi)部存在混晶現(xiàn)象，晶粒度評級為7級80%，5級20% 。

3.5 化學(xué)成分分析

在斷裂齒輪上取樣進行化學(xué)成分分析，結(jié)果列于表3。

4 綜合分析

在工業(yè)生產(chǎn)中齒輪常用來傳遞載荷和動力，服役過程中除了承受高的接觸壓應(yīng)力外，在接觸的兩齒面上還會產(chǎn)生相對摩擦，因此在循環(huán)接觸壓應(yīng)力、摩擦力的同時作用下，接觸表面的局部區(qū)域往往容易出現(xiàn)接觸疲勞[2]，雙聯(lián)齒輪齒面產(chǎn)生麻點、麻坑、裂紋、甚至斷裂就是接觸疲勞失效的表現(xiàn)形式[3]。引起雙聯(lián)齒輪發(fā)生這些損傷的主要原因可以認(rèn)為是以下幾方面因素。

表3 化學(xué)成分分析結(jié)果 %

(1)對齒輪進行滲碳及熱處理是提高零件表面硬度、耐磨性和接觸疲勞強度的主要途徑[4]，從雙聯(lián)齒輪顯微組織檢測結(jié)果看出，齒廓面上有局部脫碳現(xiàn)象，滲碳后齒輪如果表面存在脫碳缺陷，將使零件的疲勞強度降低，對長期反復(fù)載荷的抗力也降低，容易誘發(fā)疲勞裂紋，成為齒輪服役過程中致命的隱患，因此脫碳是引發(fā)雙聯(lián)齒輪疲勞裂紋萌生擴展以致斷裂，導(dǎo)致變速系統(tǒng)失效的根本原因。

(2)高溫下滲碳，活性碳原子向工件表面滲入擴散與工件氧化脫碳互為可逆反應(yīng)，一旦滲碳爐內(nèi)碳勢過低，工件氧化脫碳速率大于碳原子滲入速率，工件表面就會出現(xiàn)碳濃度降低，甚至發(fā)生脫碳[4]，這在滲碳工藝中是忌諱出現(xiàn)的，因此齒輪表面滲碳層過淺和局部脫碳是因滲碳時間不夠及碳勢失衡的滲碳工藝缺陷造成的。

(3)由于齒輪表面脫碳及碳濃度偏低，導(dǎo)致淬火時不能完全獲得馬氏體，在最表層形成了托氏體組織，托氏體比容比馬氏體小，強度低，從而減弱了滲碳表層的殘余壓應(yīng)力，不僅容易引起塑性流變，而且抗疲勞性能低極易產(chǎn)生疲勞裂紋[2]，這也是齒輪表面硬度沒有達到技術(shù)要求的實質(zhì)。當(dāng)齒面強度較低時，會以剪切方式的破斷產(chǎn)生疲勞裂縫，裂紋與齒面成一銳角，因為在摩擦力作用下齒面金屬總是向一個方向滑移，在這種情況下裂縫容易順著變形方向產(chǎn)生[2]。

(4)雙聯(lián)齒輪尺寸較大，出于改善熱處理效果、提高綜合力學(xué)性能的目的，選用20CrNiMo材料，經(jīng)對所用材料化學(xué)成分分析，Mn和Ni元素含量均低于技術(shù)要求規(guī)定，這兩種元素都有顯著提高淬透性的作用，含量不足將導(dǎo)致該材料熱處理后力學(xué)性能潛力不能有效發(fā)揮。

5 結(jié)論

齒輪滲碳工藝不正常，造成滲碳后齒面碳濃度不足，甚至出現(xiàn)局部脫碳，經(jīng)過熱處理齒輪沒有達到應(yīng)有的組織和性能，表面硬度偏低，使齒輪在傳動過程中過早的萌生疲勞裂紋，最終形成斷裂失效。

6 建議

(1)合理實施滲碳，增大活性碳原子裂解速度，確保爐內(nèi)正常碳勢濃度，延長滲碳時間，使齒輪獲得合適的滲碳層深度和表面碳濃度。

(2)齒輪芯部硬度低的原因是得到了部分鐵素體組織，建議零件滲碳后淬火時適當(dāng)提高淬火溫度，加強冷卻效果，使芯部組織和性能得到改善。

(3)加強成品齒輪的質(zhì)量檢測，杜絕不合格產(chǎn)品投入使用，避免造成更大的經(jīng)濟損失。

[1]李泉華.熱處理實用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006：60.

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[3]吳連生，失效分析技術(shù)[M].重慶：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1985：152.

[4]安運鐸，熱處理工藝學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1988：154，158.