某型重载齿轮齿面剥落失效的分析

2016-06-27张喜民

轨道交通装备与技术 2016年6期

关键词：轮齿齿面酸洗

张喜民

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司江苏常州 213011)

某型重载齿轮齿面剥落失效的分析

张喜民

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司江苏常州 213011)

采用化学成分分析、显微维氏硬度测试、金相显微镜分析及酸洗检测等方法对某型重载齿轮齿面剥落进行了分析。结果表明：磨削过热导致的磨削烧伤是该重载齿轮剥落失效的直接原因；磨削量、砂轮、冷却液、热处理因素等是产生磨削烧伤的重要因素；磨削烧伤的检测应当作为更加重要的一个控制环节，对于重要场合的齿轮，应当提高磨削烧伤的检查频次。

重载齿轮；磨削烧伤；剥落；失效

重载齿轮是机车车辆中不可或缺的关键零部件，其制造要求非常高，需要有极佳的耐磨性，同时能承受很大的载荷。从原材料到成品齿轮，有几十道加工工序，磨齿是其中的关键工序，如果磨削不当，就会在齿面产生磨削裂纹或者磨削烧伤。磨削裂纹和磨削烧伤是两个不同的概念，磨削裂纹可以通过肉眼或者磁粉探伤进行检测，磨削烧伤后的主要表现就是发生回火效应，可用酸洗法进行目视检测。在对某型重载齿轮齿面剥落进行失效分析后，找到了该齿轮齿面剥落的直接原因就是磨削烧伤，同时也总结了影响磨削烧伤的因素，提出了质量控制的建议。

1 检测方法

首先对失效齿轮进行宏观形貌分析，对齿轮剥落部位进行线切割取样，经打磨、抛光等金相制样后，用显微硬度计对试样渗层进行显微硬度梯度检测，在金相显微镜上检查试样金相组织、非金属夹杂物等；在齿轮芯部取样，在电感耦合等离子体发射光谱仪上进行化学成分分析；对失效齿轮进行酸洗，观测齿面颜色变化，根据标准GB/T 17879—1999《齿轮磨削后表面回火的浸蚀检验》鉴定齿轮齿面是否发生磨削烧伤。

2 试样检测

2.1 宏观形貌检查

从失效齿轮的宏观形貌看，轮齿节圆靠近齿根处出现整体剥落，未剥落的齿面呈现光亮金属色，齿面有压痕，这主要是啮合过程中磨损造成的。从齿面剥落处来看，未观测到点蚀现象，判定齿轮不是由于发生点蚀后扩展并剥落的。

2.2 齿轮酸洗试验

按照标准GB/T 17879—1999《齿轮磨削后表面回火的浸蚀检验》(等同于ISO 14104)进行了酸洗试验(见图1、图2)，剥落处位于节圆处，为承载力最大处，在用硝酸酒精溶液酸洗后，发现部分轮齿的齿面显示出磨削烧伤的“灰褐色”特征(见图1)，按照标准评判为B级轻度回火烧伤；而剥落处齿面的烧伤更严重，白色区域外围是黑色，按照标准评判为E级重度回火烧伤(严重过热级别)。

图1 酸洗后的轮齿外观

图2 酸洗后轮齿剥落处外观

2.3 齿轮几何精度检查

对齿轮未剥落区域进行齿形齿向的分析，经检测，齿形齿向精度符合图纸要求，排除因齿形齿向不合格导致齿面剥落的可能。

2.4 金相分析

图4 未剥落区域的金相组织(×400)

检测失效齿轮的原材料非金属夹杂物，级别为A1、D1,表明材料洁净度较好。对剥落轮齿进行低倍组织检查，发现剥落处边缘有一处深黑色区域，具有磨削烧伤特征,如图3所示。按照JB/T 6141.3—1992《重载齿轮渗碳金相检验》对失效重载齿轮渗碳金相组织进行检查(见图4)，未剥落区金相组织的评级结果为：马氏体级别、碳化物级别、残余奥氏体级别均为1级，脱碳级别无。显示该齿轮的渗碳淬火金相组织较好，残余奥氏体及碳化物都较少。2.5 显微硬度测量

对轮齿非剥落区域和剥落区域进行了显微维氏硬度检测，结果如图5、图6所示，从图中可以看出，剥落区和非剥落区的有效硬化层深都在1.75 mm左右，表面硬度都在700 HV以上，符合技术要求。不同的是，非剥落区的硬度梯度是缓降的，而剥落区的硬度值随有效硬化层深的增加，先骤降后缓升，后面将分析原因。

图5 在非剥落区域维氏硬度梯度曲线

图6 剥落区域维氏硬度梯度曲线

2.6 光谱分析

对轮齿芯部未渗碳区域进行了光谱分析，结果如下：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标准中18CrNiMo7-6材料各元素含量标准，为18CrNiMo7-6材料。

3 结果分析与讨论

由上述的检测结果可知，失效齿轮的成分在合格范围之内；未剥落区域的外形尺寸、金相组织、有效硬化层深等都符合技术要求。从剥落情况以及酸洗后齿轮轮齿表面出现的灰褐色以及局部出现的白色来看，发生磨削烧伤是齿轮剥落失效的根本原因，这从剥落区域的显微硬度梯度曲线中可以再次得到验证。

这是由于在磨削过程中产生了大量的磨削热，使得表层发生了淬火效应，在表层产生了淬火马氏体组织，硬度高达780 HV，而次表层的硬度被磨削热所回火，产生了回火索氏体或回火屈氏体，硬度显著降低，所以在酸洗之后出现白色组织，这是GB/T 17879—1999 《齿轮磨削后表面回火的浸蚀检验》标准检验中的磨削烧伤最高级别——E级别(严重过热级别)，所以剥落区的硬度随有效硬化层深的增加，先骤降再缓升。

齿轮磨削是齿轮生产制造中的关键工序，直接影响到齿轮的使用寿命。在磨削过程中，除了齿形、齿向、粗糙度为关键控制点外，磨削裂纹和磨削烧伤是另外2个十分重要的控制点，其中尤以磨削烧伤最难控制，也最不容易检测。磨削烧伤后主要的表现就是发生回火效应，严重的会在表层发生淬火效应，次表层发生回火效应。在表层，由于磨削后不再进行回火热处理，在发生严重磨削烧伤时，可以看到白色的金相组织(即淬火马氏体)。在一般的齿轮质量控制计划中往往仅仅检测磨削裂纹，实际上，磨削烧伤的产生是一个重大的质量隐患，由于淬火马氏体是不稳定组织，脆性很大，在使用过程中极易剥落，再加上次表层被回火，使得硬度剧烈下降，从而造成接触疲劳寿命下降。齿轮在使用过程中，在表层剥落之后，次表层由于硬度下降导致耐磨性下降，同时由于接触面积下降，导致单位面积载荷增大，加速了齿面的剥落，同时又增大了非烧伤区域的载荷，造成齿轮的最终失效。

产生磨削烧伤的因素主要有磨削因素和热处理因素等。

(1)磨削因素主要是指磨削量。当一次磨削量较大时，由于砂轮和齿面的接触面积较小，磨削时在磨削处会产生大量的磨削热，进而导致磨削烧伤。在日本，由于磨削量大所产生的磨削烧伤叫做“重磨削”烧伤，较为形象地描述了由于磨削量过大造成的齿面烧伤，给出的解决方法为“轻磨削”，即减小磨削量。在满足质量要求的前提下，应当摸索并优化磨削量，达到质量和经济效益的最佳平衡。

(2)砂轮因素和冷却液因素。①由于渗碳淬火齿轮的齿面硬度高，砂粒易磨钝，磨钝了的磨粒不能及时脱落(自锐性差)[1]，导致冷却液无法进入，磨削热无法得到有效传递而导致齿面发生磨削烧伤，所以应选择砂粒软些的砂轮，在磨削时以便磨钝的砂粒能够及时脱落；②注意砂轮要及时进行修整，调整砂轮传动带松紧至合适，使其工作时保持在平衡状态；③在保证磨后粗糙度合格的前提下，宜选择砂粒较粗的砂轮，通常砂粒越粗，磨削时越不容易产生磨削烧伤；④磨削时要用冷却液充分冷却磨削面，冷却液流量一般为40～45 L/min，冷却液喷射压力一般为0.8～1.2 N/mm2，可以将磨削时在砂轮上黏附的切屑冲掉[2]；同时应经常过滤冷却液，清除冷却液里面的切屑和脏物。

(3)热处理的影响。①残余奥氏体的影响：残余奥氏体非常不稳定，砂轮磨削时会在接触面产生大量的磨削热和压力，在此条件下，残余奥氏体可能会转变为马氏体[3]，同时可能伴随出现表面回火和磨削烧伤，所以热处理后残余奥氏体的含量不应超过30%；②回火的影响：在保证硬度合格的前提下，可适当提高回火温度，延长回火保温时间，因为充分回火能极大地消除热处理产生的应力，同时可以降低残余奥氏体含量；③热处理变形因素：热处理变形后，磨齿前需要按照齿圈外圆精确找正，以使齿面余量分布均匀[4]，若热处理变形过大，并且磨齿时不是在变形最大处开始磨削，则从涨量小处磨削到涨量大处时会使磨削量增大，磨削量的增大将导致加工应力急剧增加，同时使齿面温度急剧升高，往往会造成磨削烧伤。

4 磨削烧伤的检查和质量控制

对于磨削烧伤的检查，主要的方法有：(1)可以采用硝酸腐蚀法检查烧伤，其原理是根据不同的回火烧伤程度，齿面显示不同的颜色，具体的检验可以参照标准GB/T 17879—1999《齿轮磨削后表面回火的浸蚀检验》，这在美国是比较流行的方法；(2)Barkhansen法，一般叫做BN磁弹法。出现磨削烧伤的工件主要由铁磁性材料制成，在未发生磨削烧伤时，其磁序呈现有规则的排列。发生磨削烧伤后，其金相组织将发生改变，同时会产生较大的残余应力，这些会引起工件磁畴结构内的磁序变化[5]。芬兰生产的Rollscan250磁弹仪就是通过检测被检测区的磁序变化来识别磨削烧伤的。考虑到成本等因素，这种检测在国内应用的还不是很多，在欧洲运用比较广泛。

针对磨削烧伤，实行行之有效的质量控制程序是很有必要的，由于磨削烧伤的检查工作量较大，在实际生产过程的质量控制中，当工艺、设备、砂轮发生变化或者出现了可能导致磨削烧伤的热处理质量问题时，可以采用首件检查的方法；对于重要场合使用的齿轮，则应该全面酸洗检查或者用磁弹仪检测(100%频次)，以减少磨削烧伤的产生和带来的质量风险。