非公路重載機車差速器弧齒錐齒輪失效分析

青海華鼎齒輪箱有限責任公司熱處理分廠 （西寧 810021） 劉志鋒 馬長海

1. 弧齒錐齒輪情況

我公司為國內某大型公司礦車后橋差速器生產的弧齒錐齒輪，材料為20Cr2Ni4A，該弧齒錐齒輪的從動齒輪最大直徑600mm，厚度96mm，螺旋角30°。主動齒輪：最大外圓直徑210mm，長度430mm，螺旋角30°。設計要求：齒面滲碳層深1.70～2.0mm，齒面硬度58～64HRC，心部硬度33～44HRC。

目前，國內加工該齒輪的方法一般為：正火+高溫回火→粗車→二次正火+高溫回火→精車→銑齒→滲碳、退火→淬火→磨齒→配接觸區。該弧齒錐齒輪使用在大噸位的礦車上，使用環境和工作的路況比較惡劣，國內生產的齒輪一般使用壽命在3500～4500h就會出現失效現象。而國外進口的弧齒錐齒輪使用壽命均在10000h以上，加工方法采取研齒工藝。但由于進口渠道比較復雜，采購周期長，價格高，難以滿足國內的需求。針對上述情況，對該弧齒錐齒輪進行深入研究，并與進口弧齒錐齒輪進行對比，最終找出了出現問題的原因。

2. 失效原因分析

主動、從動齒輪均有打齒和嚴重的剝落、點蝕現象。打齒斷口屬于脆性斷裂，即準解理斷裂，斷口比較平整，中間下凹，呈小盤子形狀。點蝕、剝落形狀、大小不一，深度2～3mm，呈蜂窩狀，部分區域有嚴重的粘連和超負荷的接觸痕跡。

斷裂、點蝕、剝落的可能原因主要有：①原材料成分不合格，組織結構不對，有帶狀偏析或非金屬夾雜物等。②齒面硬度不均，有軟點。③齒面接觸有移動和滑動，潤滑不好。④齒輪長期受較大載荷的沖擊。出現上述破壞現象，按照失效分析宏觀判斷：斷口屬于接觸性疲勞斷裂。

（1）材質方面 相比設備與工藝，我國的工藝材料和國際水平差距更大。主要表現在品種不全，質量不高，不能滿足熱處理優質產品的需要。隨著我國煉鋼工業技術的發展，國內材料在主要元素的含量上基本與發達國家一致，但在一些微量元素的控制上還存在一定的差距。表1為我國20Cr2Ni4A材料化學成分含量情況。歐洲、美國、日本等在控制P、S、Cu的含量上比我國要嚴格一點，含量（質量分數）一般均控制在0.03%以下。這些微量元素對材料的性能和熱處理變形有很大的影響。

表1 我國20Cr2Ni4A材料化學成分（質量分數）（%）

（2）熱處理方面 目前國內采用滲碳的設備基本都是可控氣氛多用爐。在滲碳的深度、梯度及滲后的組織方面基本能夠達到國外先進水平，淬火后的硬度也能夠達到設計的要求。但是，由于我國鋼材本身的質量不高，再加上熱處理工裝夾具設計的不合理，以及冷熱加工匹配不當，造成較大的熱處理變形，為后序機加工埋下了隱患。表2為從動弧齒錐齒輪打齒、剝落、點蝕后的理化分析情況。

從表2結果可以看出：三個試樣的基體硬度和齒頂硬度基本相同，也符合工藝設計的要求。但凸、凹面的硬度很低，比設計硬度低7～11.5HRC，且三個試樣硬度不相同。造成這種現象的原因是：由于熱處理的變形過大，在后序的磨齒過程中齒面的磨量不一致，個別齒磨量較大，導致齒面硬度變低，這為齒輪早期出現失效埋下了隱患。

表2 從動弧齒錐齒輪打齒、剝落、點蝕后的理化分析

（3）機加工方面 齒面兩側磨量不一致甚至磨量太大。對于20Cr2Ni4A來說，當齒面單邊磨量不超過0.127mm時，磨削深度不會危及到滲碳淬火齒輪的使用壽命，且硬度不會降低多少。但超過0.127mm時，齒面硬度可能會降低2HRC，如果深度更大，硬度還會降低1～2HRC，甚至更多。弧齒錐齒面出現打齒、剝落、點蝕現象，其主要原因就是齒面磨削后的硬度太低（基本在52～55HRC之間），無法抗擊強大的疲勞沖擊。

3. 改進方法

（1）鑒于我國熱處理工藝材料的特殊性，在選材上，除加大毛坯材料的檢驗力度、鍛造方式的監控以外，還要對原材料供貨時硬度、試樣的力學性能以及內部組織進行檢查。同時調整熱處理的工藝過程，將二次正火+高溫回火改為調質處理，這樣更有利于齒輪材料組織的深一步改變，后序熱處理的變形會大大減少。

（2）采用冷處理對淬火后齒輪進行二次處理，相當于對齒輪進行二次淬火，這樣會減少磨削裂紋的產生，穩定淬火后的幾何尺寸，并能提高齒面硬度2～3HRC，在一定程度上延長了齒輪的使用壽命。

（3）采取熱處理前磨齒、熱處理后不磨齒的工藝方案，并配好接觸區。滲碳時嚴控熱處理的變形，如果熱處理變形很小，可適當地對從動齒輪磨齒，但必須嚴控磨齒時齒面的磨削量，磨量最好不要超過0.15mm。