双联齿轮断裂分析

2011-01-23宗国庆田光荣

化学分析计量 2011年1期

宗国庆董霞高彤田光荣

(内蒙古北方重工业集团有限公司，包头 014033)

齿轮在工业生产中应用广泛，用于变速器、传动系统齿轮的制造加工已是成熟技术，但是因齿轮引起的失效仍然时常发生。笔者所分析的案例中机床传动系统双联直齿轮使用不到一年即发生了齿面断裂。为了分析齿轮破损断裂的原因，界定事故责任，对断裂齿轮展开了理化检测与分析，应用硬度测试、显微观察及化学分析等技术方法，确定了齿轮存在的瑕疵，对事故原因作出了科学合理的解释，为改进生产工艺、优化产品质量提供了技术依据。

1 齿轮生产制造工艺

双联直齿轮采用20CrNiMo材料，锻造、机械加工成型后，进行表面渗碳、淬火及低温回火热处理，技术要求规定：成品齿轮表面淬硬层深度为1.5 ～ 2.5 mm，表面硬度为54.0 ～ 58.0 HRC，芯部硬度为30.0 ～ 42.0 HRC。

2 齿轮断裂现象与特征

齿轮断裂发生在齿部，断裂位置从节圆上部齿廓斜向至另一侧齿根与整体齿轮分离，见图1。图1中ab为齿轮断裂面，观察断口有机械损伤，但仍然可以看出裂纹扩展疲劳弧线及在不同高度形成的台阶棱面，见图2。

图1 齿轮断裂示意图

图2 齿轮断裂宏观断口形貌

由图2可见，首先发生开裂的位置在断裂齿廓a与齿轮端面交界处，裂纹源及扩展区放大形貌见图3，根据扩展区数条以裂源为中心形成的同心圆平行弧线特征可以确定齿轮属于疲劳断裂。在断裂齿廓面上裂纹起始位置附近仍可见到同方向生成的裂纹和一些麻点、麻坑缺陷，见图4-图6。

图3 裂源及扩展区形貌(12.5×)

图4 断裂齿廓面裂纹(12.5×)

图5 断裂齿廓面麻点、麻坑(7.5×)

3 理化检测分析结果

3.1 裂纹微观形貌

在裂纹处取样，平行于齿轮端面磨制后用GX-51光学金相显微镜观察，裂纹与齿廓表面以一定角度向基体内延伸扩展，主裂纹旁有分支微细裂纹或呈网络沿晶状，裂纹内有灰色产物，见图7，裂纹两侧无氧化脱碳和非金属夹杂物聚集现象，但检查发现齿廓表面有局部脱碳现象，脱碳层深度为0.07～ 0.20 mm。

图6 齿廓面麻点、麻坑放大

图7 裂纹微观形貌(200×)

3.2 微观断口分析

将齿轮断口试样经超声波震荡仪清洗后，用扫描电镜观察断裂的微观形貌，在扩展区断口仍可见到等间距分布的疲劳条纹，见图8。

图8 断口扩展区疲劳条纹

3.3 渗碳层检测

3.3.1 渗碳层深度

采用维氏硬度法用FEM-7000显微硬度计测量镶嵌试样的渗碳层深度，测试结果列于表1，测得该齿轮渗碳有效硬化层深度为0.70 mm，远低于1.5～2.5 mm的规定要求。

3.3.2 渗碳层硬度分布

由表1可知，渗碳层硬度分布规律出现单驼峰型，最表层硬度并不是最大值，深度达到0.55 mm时硬度为最高，很快又开始下降，如此的硬度分布规律反映出齿轮渗碳工艺存在异常。

表1 维氏硬度法测定的显微硬度值

对断裂齿轮齿廓表面及芯部进行洛氏硬度检测，结果列于表2，由表2可知，断裂齿轮表面及芯部硬度均未达到技术要求。

表2 洛氏硬度测定结果

3.3.3 渗碳层及芯部显微组织

经金相检测齿轮渗碳层由表及里的组织为托氏体→回火马氏体+托氏体→回火马氏体+贝氏体→索氏体+铁素体(芯部)。

表层渗碳组织为托氏体不是正常渗碳应得到的组织，这正是齿轮表面硬度低的原因，说明渗碳过程中炉内碳势气氛浓度不足，破坏了正常渗碳的平衡状态，造成齿轮最表层碳含量降低或发生脱碳，使渗碳淬火后表面形成极薄的一层托氏体组织[1]；而芯部渗碳淬火后得到索氏体和铁素体组织，主要是齿轮尺寸较大，没有达到淬火效果，因而芯部不能获得理想的硬度和韧性。

3.4 齿轮基体夹杂物和晶粒度检测

非金属夹杂物按GB/T 10561-2005标准检测后评级为：A1.0e，B0.5，C0，D1.0，DS0。

实际晶粒度按GB/T 6394-2002标准检测，材料内部存在混晶现象，晶粒度评级为7级80%，5级20% 。

3.5 化学成分分析

在断裂齿轮上取样进行化学成分分析，结果列于表3。

4 综合分析

在工业生产中齿轮常用来传递载荷和动力，服役过程中除了承受高的接触压应力外，在接触的两齿面上还会产生相对摩擦，因此在循环接触压应力、摩擦力的同时作用下，接触表面的局部区域往往容易出现接触疲劳[2]，双联齿轮齿面产生麻点、麻坑、裂纹、甚至断裂就是接触疲劳失效的表现形式[3]。引起双联齿轮发生这些损伤的主要原因可以认为是以下几方面因素。

表3 化学成分分析结果 %

(1)对齿轮进行渗碳及热处理是提高零件表面硬度、耐磨性和接触疲劳强度的主要途径[4]，从双联齿轮显微组织检测结果看出，齿廓面上有局部脱碳现象，渗碳后齿轮如果表面存在脱碳缺陷，将使零件的疲劳强度降低，对长期反复载荷的抗力也降低，容易诱发疲劳裂纹，成为齿轮服役过程中致命的隐患，因此脱碳是引发双联齿轮疲劳裂纹萌生扩展以致断裂，导致变速系统失效的根本原因。

(2)高温下渗碳，活性碳原子向工件表面渗入扩散与工件氧化脱碳互为可逆反应，一旦渗碳炉内碳势过低，工件氧化脱碳速率大于碳原子渗入速率，工件表面就会出现碳浓度降低，甚至发生脱碳[4]，这在渗碳工艺中是忌讳出现的，因此齿轮表面渗碳层过浅和局部脱碳是因渗碳时间不够及碳势失衡的渗碳工艺缺陷造成的。

(3)由于齿轮表面脱碳及碳浓度偏低，导致淬火时不能完全获得马氏体，在最表层形成了托氏体组织，托氏体比容比马氏体小，强度低，从而减弱了渗碳表层的残余压应力，不仅容易引起塑性流变，而且抗疲劳性能低极易产生疲劳裂纹[2]，这也是齿轮表面硬度没有达到技术要求的实质。当齿面强度较低时，会以剪切方式的破断产生疲劳裂缝，裂纹与齿面成一锐角，因为在摩擦力作用下齿面金属总是向一个方向滑移，在这种情况下裂缝容易顺着变形方向产生[2]。

(4)双联齿轮尺寸较大，出于改善热处理效果、提高综合力学性能的目的，选用20CrNiMo材料，经对所用材料化学成分分析，Mn和Ni元素含量均低于技术要求规定，这两种元素都有显著提高淬透性的作用，含量不足将导致该材料热处理后力学性能潜力不能有效发挥。