某产线变速箱齿轮断裂原因

2022-08-04周志超张广治王贵玉杨艳龙张敬蕊张希静

理化检验(物理分册) 2022年7期

周志超, 张广治, 王贵玉, 杨艳龙, 张敬蕊, 武甲, 张希静

(北京首钢股份有限公司, 迁安 064404)

在机械设备运行过程中，齿轮往往起着重要的作用，齿轮一旦失效则会造成重大事故。齿轮失效最常见的一种形式是轮齿断裂，是机械工程领域最为严重的事故[1]，同时也是变速箱零部件中发生失效概率较高的类型之一[2]。某齿轮作为产线变速箱的核心零件之一，在运行过程中发生故障，经停机拆解后，发现该齿轮的轮齿顶部严重磨损并出现断裂，同时轮齿顶部呈现出疑似缺陷剥落现象，为进一步查找、分析其断裂故障原因，笔者对断裂齿轮进行了一系列理化检验。齿轮设计材料为45Mn钢，其原材料执行标准为GB/T 699—2015 《优质碳素结构钢》，齿轮成品经过调质、渗碳及淬火处理。

1 理化检验

1.1 宏观观察

断裂齿轮的宏观形貌如图1所示，由图1可知：轮齿顶部呈现肉眼可见的疑似缺陷剥落现象，同时在断裂位置未见明显塑性变形区域，局部区域颜色较深。

图1 断裂齿轮宏观形貌

1.2 化学成分分析

从断裂齿轮上取样并进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：齿轮中碳、锰元素含量较低，不符合GB/T 699—2015 《优质碳素结构钢》对45Mn钢的标准要求，镍元素虽然满足GB/T 699—2015的要求，但实测值偏低。

表1 断裂齿轮化学成分 %

1.3 扫描电镜及能谱分析

在齿轮的断裂处取样，并对其截面进行磨抛处理，然后置于扫描电镜(SEM)下观察，同时对断裂处的异常部位进行能谱(EDS)分析。齿轮断裂截面不同区域SEM形貌如图2所示，发现存在大量非金属夹杂物。对非金属夹杂物进行SEM观察，其形貌如图3所示。用能谱仪对齿轮断裂截面进行分析，发现夹杂部位存在较高含量的氧和铝元素，铝元素质量分数高达32.79%，说明在齿根处存在大量以氧化铝为主的非金属夹杂物，同时伴有硫化锰夹杂物。结合夹杂部位的元素分布面扫描结果分析，发现存在氧、铝、硫、锰元素，进一步确认了氧化铝及硫化锰非金属夹杂物的存在(见图4)。

图2 齿轮断裂截面不同区域SEM形貌

图3 齿轮断裂截面夹杂物SEM形貌

图4 夹杂部位元素分布面扫描结果

1.4 金相检验

在齿轮断裂截面处取样，试样经4%(体积分数)硝酸酒精溶液侵蚀后，在光学显微镜下进行显微组织观察，结果如图5所示。从图5可以看出：轮齿处存在大量粗大的魏氏体。

图5 齿轮断裂截面显微组织形貌

1.5 硬度测试

在齿轮断裂截面处取样，试样经磨抛后采用全洛氏硬度计进行洛氏硬度试验，依据GB/T 230.1—2018 《金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法》进行试验，试验力为1.471 kN，试验结果如表2所示。从表2可以看出:齿轮的硬度不满足该齿轮的产品设计要求，硬度测试结果与金相检验中魏氏体的出现是对应的。

表2 洛氏硬度测试结果 HRC

2 综合分析

理化检验分析结果表明：齿轮轮齿的顶部位置呈现出肉眼可见的疑似缺陷剥落现象，同时在断裂处未见明显塑性变形区域；齿轮的化学成分不满足GB/T 699—2015的标准要求，而且部分元素偏离较大；断裂的轮齿处存在大量粗大的魏氏体。魏氏体是在过热区内，粗大的奥氏体在较快冷却速率下形成的一种特殊的过热组织，由于其晶粒粗大，同时大量铁素体针片形成脆弱面，因此降低了材料的韧性。一般来说，调质过程中温度较高，会导致魏氏体的形成[3]，但该断裂齿轮未见明显调质处理迹象。同时，齿轮中还存在大量的非金属夹杂物，其硬度也不符合设计要求。受上述诸多因素的共同影响，齿轮的轮齿在弯曲疲劳应力作用下，随着齿根部位的应力集中，齿轮的疲劳寿命降低[4]，最终发生断裂失效。