主動齒輪失效分析

許樂樂

摘 要：對失效的主動齒輪進行了失效分析，采用宏微觀形貌、化學成分和金相檢驗等手段，分析了主動齒輪失效的原因，結果表明其原因為齒輪膠合。應采用控制起動載荷、良好的潤滑條件和跑合等措施有效預防膠合的產生。

關鍵詞：主動齒輪；齒輪膠合；溝槽；化學元素

中圖分類號：TH132.41 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.09.088

該主動齒輪的材料為20CrMnMo，制造工序為：鍛造→正火→粗車→滾齒→滲碳淬火→低溫回火→磨削加工。該齒輪工作一段時間后，在齒面出現大量刮痕和溝槽。

1 試樣制備和分析方法

先對主動齒輪宏觀形貌進行分析，然后采用鉆屑和線切割的方式對主動齒輪取樣，最后對樣品的化學成分、金相檢驗和硬度測試等進行分析。

2 宏觀檢查

齒輪宏觀形貌見圖1和圖2所示，整個齒輪從節圓至齒頂部位都布滿了條狀的刮痕和溝槽，刮痕和溝槽沿齒面金屬滑動方向（周向）分布，在齒頂清晰可見因齒面塑性變形而產生的黏著磨損和飛邊痕跡。從齒面形變痕跡判斷，造成其失效的原因可能為齒輪間的膠合。

3 化學成分分析

在失效的主動齒輪上進行鉆屑取樣，分析出的化學成分結果如表1所示。與GB/T 3077—1999中相應牌號的成分對比發現，化學成分結果符合標準要求。

表1 主動齒輪的化學成分

化學元素 C Si Mn P S Cr Mo

化學成

分結果 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 金相檢查

4.1 非金屬夾雜物檢查

在失效的齒輪上進行線切割取樣，依次進行研磨、拋光，依照《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》（GB/T 10561—2005）進行評定級別，其非金屬夾雜物為A0.5、D1，表明潔凈度較好，如圖3所示，拋光狀態下未見其他異常和缺陷。

4.2 金相組織分析

依照《機車牽引用滲碳淬硬齒輪金相檢驗標準》（TB/T 2254—91）和《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》（GB/T 9450

—2005）對該齒輪滲碳淬硬層的組織、心部組織和淬硬層深度進行評定，其結果均符合技術要求，具體如表2所示。在外節圓處表面局部存在白亮層的淬火馬氏體，如圖4所示。

表2 齒輪滲碳淬硬層的組織、心部組織和淬硬層深度

齒輪位置 表面內氧化深度級別 表面脫

碳層深

度級別 表面碳化物級別 馬氏

體級別 殘余奧氏體級別 心部組織 淬硬層深度（550HV1）

節圓 未見 未見（如圖4所示） 1級（如圖4所示） 3級（如圖4所示） 1級（如圖4所示） 2級 1.776 mm

齒根 2級 2級（如圖4所示） 1級（如圖4所示） 3級（如圖4所示） 1級（如圖4所示） 1.727 mm

4.3 分析、結論和建議

經宏觀形貌表明，導致主動齒輪失效的原因可能為齒輪膠合；經化學成分分析表明，失效的主動齒輪的化學成分符合標準要求；經金相檢查表明，失效的主動齒輪材料潔凈度較好，拋光狀態下未見其他異常和缺陷，齒輪的節圓處和齒根處金相組織檢查表明，該齒輪熱處理正常。但在齒輪節圓處表面局部存在白亮層的淬火馬氏體組織，這可能是因在齒輪間膠合時接觸齒面產生瞬時高溫而導致的。

圖3 100×非金屬夾雜物 圖4 500×節圓處組織

5 結束語

綜上所述，該主動齒輪失效的原因是在運行過程中的齒輪膠合。在齒輪傳動過程中，齒面間的高壓、高溫使局部破裂，局部金屬互相粘連、滑動，進而出現齒輪間膠合，使金屬從表面被撕落。建議采用黏度較大或抗膠合性能較好的潤滑油、降低表面的粗糙度和防止過載荷運作等措施防止齒輪膠合發生。

參考文獻

[1]張展.齒輪傳動的失效及其對策[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]韓玉勇，韓文，狄瑞民.齒輪齒面膠合現象及其預防[J].中國科技信息，2009（1）.

〔編輯：張思楠〕