■ 李忙，姜永升，陳潤松

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該失效齒輪為63m3風(fēng)源壓縮機(jī)主機(jī)從動齒輪，材質(zhì)為20CrMnMo合金鋼。生產(chǎn)工序為坯料鍛造→正火→車加工→滲碳+淬火→低溫回火→磨齒→無損檢測。運行一段時間后發(fā)生多齒全部或部分折斷，鍵槽位置出現(xiàn)嚴(yán)重塑性變形，損壞情況嚴(yán)重，如圖1所示。

1.試驗材料及方法

（1）宏觀分析 從失效齒輪上截取3個典型區(qū)域進(jìn)行分析，如圖2～圖4所示。

圖1 失效齒輪

圖2 凹坑及麻點區(qū)

圖3 金屬剝落區(qū)

圖4 斷口形貌

由圖2可以看出，在齒輪齒根附近出現(xiàn)凹坑及麻點區(qū)，經(jīng)分析為齒面點蝕造成。

由圖3可以看出，在點蝕區(qū)存在較大面積大塊金屬剝落現(xiàn)象，剝落坑較大且深，且邊緣輪廓較清晰但是形狀不規(guī)則，斷面較光滑，可見疲勞弧線，判斷為疲勞斷口。

圖4所示斷口呈放射狀，放射方向與裂紋擴(kuò)展方向大致平行，放射中心即為裂紋源，該裂紋源為線源，為過載斷口特征。

（2）化學(xué)成分分析 經(jīng)直讀光譜儀測定，該齒輪材料的化學(xué)成分如表1所示。

其中Cu元素超出標(biāo)準(zhǔn)要求，其他元素含量符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）顯微組織分析 對失效齒輪中保留較好的齒進(jìn)行顯微組織分析，依據(jù)TB/T 2254—1991：齒輪表面組織1級，如圖5所示；心部組織6級，如圖6所示。符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 表面組織

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖6 心部組織

（2）硬度和硬化層深度 具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 硬度和硬化層深度

從表2可以看出齒根的表面硬度和硬化層深度均不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.試驗結(jié)果與分析

（1）凹坑區(qū)金相分析 對圖2所示區(qū)域進(jìn)行解剖，通過金相顯微鏡觀察麻點及凹坑區(qū)組織，如圖7所示。

由上述圖片可以得出金屬剝落的原因及過程。齒輪在運行過程中，齒面受到剪切應(yīng)力和摩擦力，其方向和分布如圖8所示，由于摩擦力的作用使齒面發(fā)生塑性變形，出現(xiàn)明顯的金屬塑性流動，且越靠近表面塑性流動越嚴(yán)重。然后在塑性變形的薄弱區(qū)出現(xiàn)沿著塑性流動方向的初始裂紋，裂紋方向大致平行，并有向深處擴(kuò)展的趨勢。

眾所周知，閉式齒輪箱中潤滑油的潤滑冷卻作用是在齒輪嚙合區(qū)應(yīng)存在潤滑油膜。當(dāng)潤滑油進(jìn)入裂紋后被封住, 會產(chǎn)生很大油壓, 使裂紋擴(kuò)展，形成麻點和凹坑，且凹坑周圍可能存在二次裂紋（見圖7c）。最后裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展會使凹坑變大、變深，最終形成金屬的剝落（見圖3）。

圖7

圖8 齒面摩擦力與剪切應(yīng)力分布

（2）分析與討論 齒面金屬剝落會直接導(dǎo)致輪齒的承載力分布不均勻和承載能力的下降，同時輪齒抗剪強(qiáng)度的下降，在載荷不變的情況下會導(dǎo)致發(fā)生金屬剝落的輪齒過載折斷，破壞了齒輪的連續(xù)傳動。在后續(xù)齒輪嚙合過程中，對其他輪齒會產(chǎn)生沖擊載荷，特別在齒根處易形成應(yīng)力集中，產(chǎn)生較大切應(yīng)力，當(dāng)超過材料強(qiáng)度極限時，會在齒根處形成過載裂紋，最終導(dǎo)致輪齒折斷。齒根裂紋如圖9所示。

圖9 齒根裂紋

試驗表明，提高齒面硬度，可以增強(qiáng)齒面抗點蝕能力。經(jīng)過理化分析該從動齒輪的齒面處硬度為54.0HRC，低于標(biāo)準(zhǔn)要求值，直接導(dǎo)致了材料接觸疲勞強(qiáng)度大幅度下降，降低了齒面的抗點蝕能力。同時齒面處的硬化層深度較淺，降低了材料抗裂紋尖端擴(kuò)展強(qiáng)度，使裂紋易于向輪齒內(nèi)部擴(kuò)展，形成較深的剝落坑，降低了輪齒承載力，最終造成受損輪齒的過載折斷，導(dǎo)致了齒輪在運行過程中的提前失效。

（3）鍵槽變形區(qū)分析 對圖1b所示鍵槽變形區(qū)進(jìn)行金相分析，金相照片如圖10所示。

由圖10可以看出，鍵槽變形區(qū)表面組織出現(xiàn)分層，最表面有淬火馬氏體組織，說明存在摩擦熱導(dǎo)致的高溫淬火現(xiàn)象，且塑性變形嚴(yán)重，表面形貌由光滑平整過渡成鋸齒狀粗糙的表面，說明齒輪經(jīng)過了較大的沖擊振動載荷，驗證了齒根裂紋形成的原因。

圖10 變形區(qū)形貌

3.結(jié)論和建議

（1）該從動齒輪齒根處的表面硬度和硬化層深度的不合格，是導(dǎo)致齒輪提前失效的主要原因。

（2）齒輪齒根處過渡圓弧較小，易形成應(yīng)力集中。

（3）建議加強(qiáng)過程控制，嚴(yán)格控制產(chǎn)品質(zhì)量，使產(chǎn)品各項指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。