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        某型重載齒輪齒面剝落失效的分析

        2016-06-27 09:55:56張喜民
        軌道交通裝備與技術(shù) 2016年6期
        關(guān)鍵詞:輪齒齒面酸洗

        張喜民

        (中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

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        某型重載齒輪齒面剝落失效的分析

        張喜民

        (中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

        采用化學(xué)成分分析、顯微維氏硬度測試、金相顯微鏡分析及酸洗檢測等方法對某型重載齒輪齒面剝落進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:磨削過熱導(dǎo)致的磨削燒傷是該重載齒輪剝落失效的直接原因;磨削量、砂輪、冷卻液、熱處理因素等是產(chǎn)生磨削燒傷的重要因素;磨削燒傷的檢測應(yīng)當(dāng)作為更加重要的一個(gè)控制環(huán)節(jié),對于重要場合的齒輪,應(yīng)當(dāng)提高磨削燒傷的檢查頻次。

        重載齒輪;磨削燒傷;剝落;失效

        重載齒輪是機(jī)車車輛中不可或缺的關(guān)鍵零部件,其制造要求非常高,需要有極佳的耐磨性,同時(shí)能承受很大的載荷。從原材料到成品齒輪,有幾十道加工工序,磨齒是其中的關(guān)鍵工序,如果磨削不當(dāng),就會在齒面產(chǎn)生磨削裂紋或者磨削燒傷。磨削裂紋和磨削燒傷是兩個(gè)不同的概念,磨削裂紋可以通過肉眼或者磁粉探傷進(jìn)行檢測,磨削燒傷后的主要表現(xiàn)就是發(fā)生回火效應(yīng),可用酸洗法進(jìn)行目視檢測。在對某型重載齒輪齒面剝落進(jìn)行失效分析后,找到了該齒輪齒面剝落的直接原因就是磨削燒傷,同時(shí)也總結(jié)了影響磨削燒傷的因素,提出了質(zhì)量控制的建議。

        1 檢測方法

        首先對失效齒輪進(jìn)行宏觀形貌分析,對齒輪剝落部位進(jìn)行線切割取樣,經(jīng)打磨、拋光等金相制樣后,用顯微硬度計(jì)對試樣滲層進(jìn)行顯微硬度梯度檢測,在金相顯微鏡上檢查試樣金相組織、非金屬夾雜物等;在齒輪芯部取樣,在電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀上進(jìn)行化學(xué)成分分析;對失效齒輪進(jìn)行酸洗,觀測齒面顏色變化,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17879—1999《齒輪磨削后表面回火的浸蝕檢驗(yàn)》鑒定齒輪齒面是否發(fā)生磨削燒傷。

        2 試樣檢測

        2.1 宏觀形貌檢查

        從失效齒輪的宏觀形貌看,輪齒節(jié)圓靠近齒根處出現(xiàn)整體剝落,未剝落的齒面呈現(xiàn)光亮金屬色,齒面有壓痕,這主要是嚙合過程中磨損造成的。從齒面剝落處來看,未觀測到點(diǎn)蝕現(xiàn)象,判定齒輪不是由于發(fā)生點(diǎn)蝕后擴(kuò)展并剝落的。

        2.2 齒輪酸洗試驗(yàn)

        按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17879—1999《齒輪磨削后表面回火的浸蝕檢驗(yàn)》(等同于ISO 14104)進(jìn)行了酸洗試驗(yàn)(見圖1、圖2),剝落處位于節(jié)圓處,為承載力最大處,在用硝酸酒精溶液酸洗后,發(fā)現(xiàn)部分輪齒的齒面顯示出磨削燒傷的“灰褐色”特征(見圖1),按照標(biāo)準(zhǔn)評判為B級輕度回火燒傷;而剝落處齒面的燒傷更嚴(yán)重,白色區(qū)域外圍是黑色,按照標(biāo)準(zhǔn)評判為E級重度回火燒傷(嚴(yán)重過熱級別)。

        圖1 酸洗后的輪齒外觀

        圖2 酸洗后輪齒剝落處外觀

        2.3 齒輪幾何精度檢查

        對齒輪未剝落區(qū)域進(jìn)行齒形齒向的分析,經(jīng)檢測,齒形齒向精度符合圖紙要求,排除因齒形齒向不合格導(dǎo)致齒面剝落的可能。

        2.4 金相分析

        圖4 未剝落區(qū)域的金相組織(×400)

        檢測失效齒輪的原材料非金屬夾雜物,級別為A1、D1,表明材料潔凈度較好。對剝落輪齒進(jìn)行低倍組織檢查,發(fā)現(xiàn)剝落處邊緣有一處深黑色區(qū)域,具有磨削燒傷特征,如圖3所示。按照J(rèn)B/T 6141.3—1992《重載齒輪 滲碳金相檢驗(yàn)》對失效重載齒輪滲碳金相組織進(jìn)行檢查(見圖4),未剝落區(qū)金相組織的評級結(jié)果為:馬氏體級別、碳化物級別、殘余奧氏體級別均為1級,脫碳級別無。顯示該齒輪的滲碳淬火金相組織較好,殘余奧氏體及碳化物都較少。2.5 顯微硬度測量

        對輪齒非剝落區(qū)域和剝落區(qū)域進(jìn)行了顯微維氏硬度檢測,結(jié)果如圖5、圖6所示,從圖中可以看出,剝落區(qū)和非剝落區(qū)的有效硬化層深都在1.75 mm左右,表面硬度都在700 HV以上,符合技術(shù)要求。不同的是,非剝落區(qū)的硬度梯度是緩降的,而剝落區(qū)的硬度值隨有效硬化層深的增加,先驟降后緩升,后面將分析原因。

        圖5 在非剝落區(qū)域維氏硬度梯度曲線

        圖6 剝落區(qū)域維氏硬度梯度曲線

        2.6 光譜分析

        對輪齒芯部未滲碳區(qū)域進(jìn)行了光譜分析,結(jié)果如下:w(C)=0.18%,w(Si)=0.25%,w(Mn)=0.68%,w(P)=0.0041%,w(S)=0.0005%,w(Cr)=1.63%,w(Ni)=1.65%,w(Mo)=0.27%,符合EN 10084標(biāo)準(zhǔn)中18CrNiMo7-6材料各元素含量標(biāo)準(zhǔn),為18CrNiMo7-6材料。

        3 結(jié)果分析與討論

        由上述的檢測結(jié)果可知,失效齒輪的成分在合格范圍之內(nèi);未剝落區(qū)域的外形尺寸、金相組織、有效硬化層深等都符合技術(shù)要求。從剝落情況以及酸洗后齒輪輪齒表面出現(xiàn)的灰褐色以及局部出現(xiàn)的白色來看,發(fā)生磨削燒傷是齒輪剝落失效的根本原因,這從剝落區(qū)域的顯微硬度梯度曲線中可以再次得到驗(yàn)證。

        這是由于在磨削過程中產(chǎn)生了大量的磨削熱,使得表層發(fā)生了淬火效應(yīng),在表層產(chǎn)生了淬火馬氏體組織,硬度高達(dá)780 HV,而次表層的硬度被磨削熱所回火,產(chǎn)生了回火索氏體或回火屈氏體,硬度顯著降低,所以在酸洗之后出現(xiàn)白色組織,這是GB/T 17879—1999 《齒輪磨削后表面回火的浸蝕檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)中的磨削燒傷最高級別——E級別(嚴(yán)重過熱級別),所以剝落區(qū)的硬度隨有效硬化層深的增加,先驟降再緩升。

        齒輪磨削是齒輪生產(chǎn)制造中的關(guān)鍵工序,直接影響到齒輪的使用壽命。在磨削過程中,除了齒形、齒向、粗糙度為關(guān)鍵控制點(diǎn)外,磨削裂紋和磨削燒傷是另外2個(gè)十分重要的控制點(diǎn),其中尤以磨削燒傷最難控制,也最不容易檢測。磨削燒傷后主要的表現(xiàn)就是發(fā)生回火效應(yīng),嚴(yán)重的會在表層發(fā)生淬火效應(yīng),次表層發(fā)生回火效應(yīng)。在表層,由于磨削后不再進(jìn)行回火熱處理,在發(fā)生嚴(yán)重磨削燒傷時(shí),可以看到白色的金相組織(即淬火馬氏體)。在一般的齒輪質(zhì)量控制計(jì)劃中往往僅僅檢測磨削裂紋,實(shí)際上,磨削燒傷的產(chǎn)生是一個(gè)重大的質(zhì)量隱患,由于淬火馬氏體是不穩(wěn)定組織,脆性很大,在使用過程中極易剝落,再加上次表層被回火,使得硬度劇烈下降,從而造成接觸疲勞壽命下降。齒輪在使用過程中,在表層剝落之后,次表層由于硬度下降導(dǎo)致耐磨性下降,同時(shí)由于接觸面積下降,導(dǎo)致單位面積載荷增大,加速了齒面的剝落,同時(shí)又增大了非燒傷區(qū)域的載荷,造成齒輪的最終失效。

        產(chǎn)生磨削燒傷的因素主要有磨削因素和熱處理因素等。

        (1)磨削因素主要是指磨削量。當(dāng)一次磨削量較大時(shí),由于砂輪和齒面的接觸面積較小,磨削時(shí)在磨削處會產(chǎn)生大量的磨削熱,進(jìn)而導(dǎo)致磨削燒傷。在日本,由于磨削量大所產(chǎn)生的磨削燒傷叫做“重磨削”燒傷,較為形象地描述了由于磨削量過大造成的齒面燒傷,給出的解決方法為“輕磨削”,即減小磨削量。在滿足質(zhì)量要求的前提下,應(yīng)當(dāng)摸索并優(yōu)化磨削量,達(dá)到質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的最佳平衡。

        (2)砂輪因素和冷卻液因素。①由于滲碳淬火齒輪的齒面硬度高,砂粒易磨鈍,磨鈍了的磨粒不能及時(shí)脫落(自銳性差)[1],導(dǎo)致冷卻液無法進(jìn)入,磨削熱無法得到有效傳遞而導(dǎo)致齒面發(fā)生磨削燒傷,所以應(yīng)選擇砂粒軟些的砂輪,在磨削時(shí)以便磨鈍的砂粒能夠及時(shí)脫落;②注意砂輪要及時(shí)進(jìn)行修整,調(diào)整砂輪傳動(dòng)帶松緊至合適,使其工作時(shí)保持在平衡狀態(tài);③在保證磨后粗糙度合格的前提下,宜選擇砂粒較粗的砂輪,通常砂粒越粗,磨削時(shí)越不容易產(chǎn)生磨削燒傷;④磨削時(shí)要用冷卻液充分冷卻磨削面,冷卻液流量一般為40~45 L/min,冷卻液噴射壓力一般為0.8~1.2 N/mm2,可以將磨削時(shí)在砂輪上黏附的切屑沖掉[2];同時(shí)應(yīng)經(jīng)常過濾冷卻液,清除冷卻液里面的切屑和臟物。

        (3)熱處理的影響。①殘余奧氏體的影響:殘余奧氏體非常不穩(wěn)定,砂輪磨削時(shí)會在接觸面產(chǎn)生大量的磨削熱和壓力,在此條件下,殘余奧氏體可能會轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體[3],同時(shí)可能伴隨出現(xiàn)表面回火和磨削燒傷,所以熱處理后殘余奧氏體的含量不應(yīng)超過30%;②回火的影響:在保證硬度合格的前提下,可適當(dāng)提高回火溫度,延長回火保溫時(shí)間,因?yàn)槌浞只鼗鹉軜O大地消除熱處理產(chǎn)生的應(yīng)力,同時(shí)可以降低殘余奧氏體含量;③熱處理變形因素:熱處理變形后,磨齒前需要按照齒圈外圓精確找正,以使齒面余量分布均勻[4],若熱處理變形過大,并且磨齒時(shí)不是在變形最大處開始磨削,則從漲量小處磨削到漲量大處時(shí)會使磨削量增大,磨削量的增大將導(dǎo)致加工應(yīng)力急劇增加,同時(shí)使齒面溫度急劇升高,往往會造成磨削燒傷。

        4 磨削燒傷的檢查和質(zhì)量控制

        對于磨削燒傷的檢查,主要的方法有:(1)可以采用硝酸腐蝕法檢查燒傷,其原理是根據(jù)不同的回火燒傷程度,齒面顯示不同的顏色,具體的檢驗(yàn)可以參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17879—1999《齒輪磨削后表面回火的浸蝕檢驗(yàn)》,這在美國是比較流行的方法;(2)Barkhansen法,一般叫做BN磁彈法。出現(xiàn)磨削燒傷的工件主要由鐵磁性材料制成,在未發(fā)生磨削燒傷時(shí),其磁序呈現(xiàn)有規(guī)則的排列。發(fā)生磨削燒傷后,其金相組織將發(fā)生改變,同時(shí)會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力,這些會引起工件磁疇結(jié)構(gòu)內(nèi)的磁序變化[5]。芬蘭生產(chǎn)的Rollscan250磁彈儀就是通過檢測被檢測區(qū)的磁序變化來識別磨削燒傷的。考慮到成本等因素,這種檢測在國內(nèi)應(yīng)用的還不是很多,在歐洲運(yùn)用比較廣泛。

        針對磨削燒傷,實(shí)行行之有效的質(zhì)量控制程序是很有必要的,由于磨削燒傷的檢查工作量較大,在實(shí)際生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制中,當(dāng)工藝、設(shè)備、砂輪發(fā)生變化或者出現(xiàn)了可能導(dǎo)致磨削燒傷的熱處理質(zhì)量問題時(shí),可以采用首件檢查的方法;對于重要場合使用的齒輪,則應(yīng)該全面酸洗檢查或者用磁彈儀檢測(100%頻次),以減少磨削燒傷的產(chǎn)生和帶來的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

        5 結(jié)論和建議

        (1)從失效齒輪的檢測分析中可以看出,磨削過熱造成的磨削燒傷是導(dǎo)致齒輪齒面剝落失效的直接原因。

        (2)磨削燒傷對齒輪的使用壽命影響重大,磨削量、砂輪、冷卻液、熱處理因素等是控制磨削燒傷的重要因素。

        (3)在質(zhì)量控制過程中,磨削燒傷的檢測應(yīng)當(dāng)作為更加重要的一個(gè)控制環(huán)節(jié),對于應(yīng)用于重要場合的齒輪,應(yīng)當(dāng)提高磨削燒傷的檢查頻次。

        [1] 丁志超,曹碩生.砂輪修整對磨削燒傷影響的研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1982(2):52-63.

        [2] 呂紅明,王 琪.汽車滲碳淬火齒輪磨削燒傷的研究[J].機(jī)械傳動(dòng),2009,33(3):108-110.

        [3] 吳為揚(yáng).軸承套圈磨削燒傷和磨削裂紋的探索[J].就業(yè)與保障,2007(3):43-44.

        [4] 于永江.硬齒面齒輪、齒軸磨削燒傷裂紋產(chǎn)生的原因及解決辦法[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2016(3):50-51.

        [5] 宋亞虎,劉鐵山,史向陽,等.齒輪磨削燒傷檢測技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊),2014,50(10):715-717.□

        (編輯:林素珍)

        2095-5251(2016)06-0033-03

        2016-03-03

        張喜民(1983-),男,碩士研究生學(xué)歷,工程師,從事技術(shù)及管理工作。

        TG113

        B

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