主动齿轮失效分析

许乐乐

摘 要：对失效的主动齿轮进行了失效分析，采用宏微观形貌、化学成分和金相检验等手段，分析了主动齿轮失效的原因，结果表明其原因为齿轮胶合。应采用控制起动载荷、良好的润滑条件和跑合等措施有效预防胶合的产生。

关键词：主动齿轮；齿轮胶合；沟槽；化学元素

中图分类号：TH132.41 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.09.088

该主动齿轮的材料为20CrMnMo，制造工序为：锻造→正火→粗车→滚齿→渗碳淬火→低温回火→磨削加工。该齿轮工作一段时间后，在齿面出现大量刮痕和沟槽。

1 试样制备和分析方法

先对主动齿轮宏观形貌进行分析，然后采用钻屑和线切割的方式对主动齿轮取样，最后对样品的化学成分、金相检验和硬度测试等进行分析。

2 宏观检查

齿轮宏观形貌见图1和图2所示，整个齿轮从节圆至齿顶部位都布满了条状的刮痕和沟槽，刮痕和沟槽沿齿面金属滑动方向（周向）分布，在齿顶清晰可见因齿面塑性变形而产生的黏着磨损和飞边痕迹。从齿面形变痕迹判断，造成其失效的原因可能为齿轮间的胶合。

3 化学成分分析

在失效的主动齿轮上进行钻屑取样，分析出的化学成分结果如表1所示。与GB/T 3077—1999中相应牌号的成分对比发现，化学成分结果符合标准要求。

表1 主动齿轮的化学成分

化学元素 C Si Mn P S Cr Mo

化学成

分结果 0.22 0.20 1.15 0.011 0.015 1.38 0.26

20CrMnMo 0.17～0.23 0.17～0.37 0.90～1.20 ≤0.035 ≤0.035 1.10～1.40 0.20～0.30

4 金相检查

4.1 非金属夹杂物检查

在失效的齿轮上进行线切割取样，依次进行研磨、抛光，依照《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》（GB/T 10561—2005）进行评定级别，其非金属夹杂物为A0.5、D1，表明洁净度较好，如图3所示，抛光状态下未见其他异常和缺陷。

4.2 金相组织分析

依照《机车牵引用渗碳淬硬齿轮金相检验标准》（TB/T 2254—91）和《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》（GB/T 9450

—2005）对该齿轮渗碳淬硬层的组织、心部组织和淬硬层深度进行评定，其结果均符合技术要求，具体如表2所示。在外节圆处表面局部存在白亮层的淬火马氏体，如图4所示。

表2 齿轮渗碳淬硬层的组织、心部组织和淬硬层深度

齿轮位置 表面内氧化深度级别 表面脱

碳层深

度级别 表面碳化物级别 马氏

体级别 残余奥氏体级别 心部组织 淬硬层深度（550HV1）

节圆 未见 未见（如图4所示） 1级（如图4所示） 3级（如图4所示） 1级（如图4所示） 2级 1.776 mm

齿根 2级 2级（如图4所示） 1级（如图4所示） 3级（如图4所示） 1级（如图4所示） 1.727 mm

4.3 分析、结论和建议

经宏观形貌表明，导致主动齿轮失效的原因可能为齿轮胶合；经化学成分分析表明，失效的主动齿轮的化学成分符合标准要求；经金相检查表明，失效的主动齿轮材料洁净度较好，抛光状态下未见其他异常和缺陷，齿轮的节圆处和齿根处金相组织检查表明，该齿轮热处理正常。但在齿轮节圆处表面局部存在白亮层的淬火马氏体组织，这可能是因在齿轮间胶合时接触齿面产生瞬时高温而导致的。

图3 100×非金属夹杂物 图4 500×节圆处组织

5 结束语

综上所述，该主动齿轮失效的原因是在运行过程中的齿轮胶合。在齿轮传动过程中，齿面间的高压、高温使局部破裂，局部金属互相粘连、滑动，进而出现齿轮间胶合，使金属从表面被撕落。建议采用黏度较大或抗胶合性能较好的润滑油、降低表面的粗糙度和防止过载荷运作等措施防止齿轮胶合发生。

参考文献

[1]张展.齿轮传动的失效及其对策[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]韩玉勇，韩文，狄瑞民.齿轮齿面胶合现象及其预防[J].中国科技信息，2009（1）.

〔编辑：张思楠〕