變速箱高速齒輪斷齒失效分析

王宇，馬慶超，尹維，經(jīng)昊達

(清華大學(xué)天津高端裝備研究院潤滑與摩擦檢測中心，天津 300300)

0 引言

機械零件失效與其微觀組織、加工工藝、熱處理工藝以及使用工況密切相關(guān)，對失效工件進行詳盡分析，并進行工藝改進，是產(chǎn)品質(zhì)量控制管理的重要內(nèi)容。同時，及時解決零件失效問題、保證設(shè)備正常運行是對客戶信任的負責(zé)。汽車傳動性齒輪在運轉(zhuǎn)過程中往往需要承受耐磨和高沖擊載荷作用，發(fā)生齒輪斷裂是齒輪失效中較為常見的齒輪損傷形式[1-4]。文中從齒輪斷齒的斷口及裂紋宏微觀形貌分析入手，按照斷裂失效背景、初步宏觀檢查、斷裂性質(zhì)初步判斷、試驗分析、斷裂性質(zhì)原因明確、改進措施的分析思路進行研究[3]，分析齒輪斷裂原因，供國內(nèi)外同行參考。

1 材料與方法

某品牌高速齒輪箱在試運行中出現(xiàn)斷齒情況。此齒輪材料為20CrMnTiH保證淬透性鋼，此工件工藝一般為淬火：第一次880 ℃，第二次870 ℃，油冷；回火200 ℃，水冷、空冷，工件的基本信息如表1所示。通過宏觀檢查、掃描電鏡微觀形貌分析、金相組織、化學(xué)成分分析、顯微硬度分析等全面分析該齒輪斷齒原因[2]，并提出相應(yīng)預(yù)防措施。

表1 工件熱處理規(guī)范與性能參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀斷口形貌

根據(jù)斷口形貌，可初步判斷兩件齒輪斷裂方式相似，斷口從宏觀上看不到纖維狀，無明顯塑性變形，具有結(jié)晶顆粒狀的組織結(jié)構(gòu)，色澤較暗，有部分?jǐn)嗝嫔踔烈咽ソ饘俟鉂桑尸F(xiàn)脆性斷裂特征[5-6]，如圖1所示。

圖1 宏觀斷口形貌

2.2 微觀斷口形貌

為進一步判斷斷裂原因，通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡對斷裂齒面進行觀察，如圖2和圖3所示。裂紋源位于齒輪受力一側(cè)，且齒面有組織脫落現(xiàn)象，如圖2所示。試樣斷裂的路徑沿著晶界擴展，斷口無明顯韌窩狀形態(tài)，呈顆粒狀，可判斷為脆性斷口，斷口表現(xiàn)為沿晶解離斷裂，斷口處存在明顯裂紋，但非疲勞裂紋特征[5]，如圖3所示。

圖2 斷口裂紋源(左側(cè))

圖3 斷口形貌特征

2.3 輪齒的顯微組織分析

根據(jù)掃描電鏡結(jié)果，切割單個輪齒的橫截面，進行磨拋制樣，重點研究觀測受力面一側(cè)。

對試樣使用4%的硝酸酒精腐蝕處理，20 s后用背散射探頭觀察微觀形貌，如圖4所示。

圖4 腐蝕后的試樣微觀形貌

可以看出:試樣組織以針狀馬氏體+殘留奧氏體為主，裂紋較直，少分枝，可判斷為淬火裂紋。滲碳層殘余奧氏體較多,可增大齒輪表面剝落傾向，邊緣微裂紋嚴(yán)重[5-6]，內(nèi)部存有少量夾雜物。

2.4 能譜分析

對試樣進行能譜分析，對含碳量變化趨勢和夾雜物的類型進行定性分析和判斷，如圖5、圖6所示。根據(jù)能譜分析推測，齒輪表面發(fā)生滲碳，元素含量不均勻，表面夾雜物屬于碳化物和氮化物[7]，如表2所示。

圖5 齒輪邊緣微觀形貌

圖6 能譜分析結(jié)果(線掃描)

位置元素質(zhì)量百分比/%原子個數(shù)百分比/%aCK4．0738．62SiK0．140．58CrK0．310．68MnK0．260．55FeK29．1859．58bCK3．2229．22NK1．8514．36TiK5．4912．49CrK0．420．87MnK0．270．53FeK21．8142．54

2.5 硬度測試

對磨拋制樣后的輪齒進行顯微硬度測試，分別選取了齒頂下方1.5 mm處、分度圓附近、臨近齒根處進行硬度測試，每兩點硬度間隔0.2 mm，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 硬度(HV1)測試結(jié)果

根據(jù)圖7中的硬度測試結(jié)果，該輪齒的表面硬度(表面下0.1 mm)為720HV1～750HV1，芯部硬度大約在410HV1左右，判斷出有效硬化層深為0.6～0.7 mm，均滿足工藝要求的0.4～0.7 mm。這說明不是硬化層深度不夠引起的齒輪斷裂[1]。從硬度測試圖中可以看出，近齒根處的硬度值下降較快，此現(xiàn)象可導(dǎo)致受力一側(cè)部分組織脫落[1]。

3 討論與改進措施

該齒輪的失效模式為齒輪脆性斷裂，由于熱處理中的馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)冷卻過快及材料晶界上存在異常組織及元素等因素造成鋼的力學(xué)性能大大降低[5-7]，在高速工況下短時過載而引起齒輪突然折斷。

齒輪表面存在大量的微裂紋。處于傳動嚙合過程中的齒輪，因載荷作用產(chǎn)生大量微裂紋，微裂紋沿被弱化的晶界擴展，可造成材料的斷裂。這種現(xiàn)象在高速工況下更易發(fā)生。齒輪失效屬于脆性斷裂，斷口臨近表面位置呈現(xiàn)沿晶斷裂特征，表明材料的晶界屬于弱化區(qū)域。

為預(yù)防產(chǎn)生過熱組織，一般可通過多次正火或退火消除，對于較嚴(yán)重的過熱組織，可采用高溫變形和退火相結(jié)合的方法消除。

鉻含量偏低，導(dǎo)致鋼的淬透性下降，鋼的強度和硬度也隨之降低。

材料中零散分布的夾雜物以碳化物和氮化物為主，一定程度上會影響材料的力學(xué)性能，若夾雜物位于表層微裂紋附近，也會是裂紋擴展的誘因之一。

齒輪的表面、芯部硬度以及有效硬化層深，均達到標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

綜上分析與討論，該齒輪表面存在大量的微裂紋，失效屬于脆性斷裂，斷口臨近表面位置呈現(xiàn)沿晶斷裂特征。為預(yù)防產(chǎn)生過熱組織，一般可通過多次正火或退火消除，對于較嚴(yán)重的過熱組織，可采用高溫變形和退火相結(jié)合的方法消除。此試樣鉻含量偏低，導(dǎo)致鋼的淬透性下降，鋼的強度和硬度也隨之降低。材料中零散分布的夾雜物以碳化物和氮化物為主，一定程度上會影響材料的力學(xué)性能。夾雜物位于表層微裂紋附近，也是裂紋擴展的誘因之一。

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