螺旋錐齒輪失效分析

張 平

(江蘇林海動力機(jī)械集團(tuán)有限公司，江蘇 泰州 225300)

1 研究背景

某公司開發(fā)的某型號發(fā)動機(jī)螺旋錐齒輪，在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)硬化層剝落。齒輪材料為20 CrMnTi鋼，齒輪熱處理工藝為碳氮共滲處理，設(shè)計(jì)圖紙要求為表面硬化層深0.7～0.9 mm，表面硬度78～82 HRA，心部硬度25～40 HRC；而與此配合的齒輪同樣發(fā)生相關(guān)缺陷，為了查明齒輪齒面剝落原因，對其進(jìn)行了失效分析[1-3]。

2 宏觀觀察剝落部位

對其中一個剝落的齒進(jìn)行宏觀肉眼觀察(采用線切割方法從齒輪割下剝落損壞齒)，宏觀形貌如圖1所示。發(fā)現(xiàn)在齒面有嚴(yán)重的金屬剝落現(xiàn)象，剝落坑最長約10 mm、最寬約3 mm、最深0.5～1 mm，在靠齒根方向有數(shù)條呈圓弧狀的細(xì)小裂紋，并在剝落坑附近的齒輪嚙合處有明顯的塑性變形痕跡。剝落區(qū)域分布有大小深淺不一的剝落臺階和數(shù)條呈圓弧狀的細(xì)小裂紋。因此，從宏觀形貌初步判斷該齒輪的剝落應(yīng)屬于多裂紋源的多次剝落，裂紋首先在靠近齒中部最大受力處萌生，裂紋由外向里，并沿齒面向齒根擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至閉環(huán)時，齒輪表面產(chǎn)生剝落分離[4-5]。

圖1 硬化層疲勞剝落宏觀形貌

3 檢驗(yàn)結(jié)果

3.1 化學(xué)成分分析

在故障件齒輪上取樣，采用ARL4460型火花源原子發(fā)射光譜儀進(jìn)行齒輪的化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)，分析結(jié)果見表1。結(jié)果表明各元素含量均符合GB/T 3077-2015對20CrMnTi鋼成分的技術(shù)要求。

3.2 宏觀硬度檢查

對剝落處齒面和心部分別進(jìn)行硬度測試，齒面洛氏硬度為81.2 HRA，心部硬度為38 HRC，該齒輪技術(shù)條件規(guī)定，齒面硬度要求是78～82 HRA，硬化層深度為0.7～0.9 mm，心部硬度要求是25～40 HRC。從檢驗(yàn)結(jié)果看無論齒面硬度還是心部硬度均已達(dá)到技術(shù)條件及標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 顯微組織檢驗(yàn)

試樣金相顯微組織如圖2所示。由宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，由于疲勞面在輪齒凹面，而凸面幾乎沒有磨損，機(jī)加工痕跡清晰可見，故凸面更能反映疲勞前的熱處理狀態(tài)，因此以節(jié)圓凸面為檢查面。檢查結(jié)果為組織中夾雜物無異常，少量D類點(diǎn)狀非金屬夾雜物(圖2(a))；節(jié)圓處(凸面)組織為馬氏體+殘余奧氏體3級(圖2(b))；齒輪心部組織以低碳板條馬氏體為主，無明顯塊狀鐵素體(圖2(c))；硬化層剝落處有明顯裂紋呈向內(nèi)擴(kuò)展態(tài)勢(圖2(d))。

表1 齒輪剝落齒化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

成分CCrMnTiSiPSCuNi實(shí)測值0.1921.0430.8090.0440.2580.0290.010.0160.022GB/T 30770.17～0.231.0～1.30.8～1.10.04～0.10.17～0.37≤0.03≤0.03≤0.2≤0.3

圖2 金相顯微組織

3.4 顯微硬度測試

對滲碳層區(qū)域的顯微硬度進(jìn)行測試，滲碳層(節(jié)圓處)不同區(qū)域顯微硬度變化情況如圖3所示。結(jié)果顯示隨著滲碳層深度的増加，顯微硬度總的趨勢逐漸降低，局部區(qū)域硬度值沒有起伏，說明整個滲碳層顯微硬度是均勻的，這與金相觀察中顯微組織均勻性相對應(yīng)。根據(jù)JBT 61412-199標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，有效硬化層深度指從零件表面到維氏硬度值550HV1處的垂直距離。測試結(jié)果有效硬化層 DC=0.752HV1，符合圖紙要求。

圖3 滲碳層(節(jié)圓處)硬度分布

4 討論分析

(1)經(jīng)綜合分析材料、硬度等符合圖樣要求，理化檢驗(yàn)無異常，說明熱處理工藝正常。螺旋錐齒輪的失效形式為硬化層剝落，是由接觸疲勞引起的。接觸疲勞主要是在切應(yīng)力作用下，多次重復(fù)剪切使材料分離，疲勞裂紋的擴(kuò)展尤如鱗片，一層層地被依次剪開而使裂紋向前推進(jìn)(圖 2(d))。源區(qū)一般位于磨得最光亮的部位，因?yàn)樵磪^(qū)的裂紋表面經(jīng)受了最多次數(shù)的重復(fù)摩擦，也是剝落最嚴(yán)重的區(qū)域。

(2)從失效件齒輪(圖1(b))可以看出，該齒輪嚙合不良，接觸痕跡線集中于輪齒凹面中部偏齒根，大端頂處無嚙合痕跡。

(3)機(jī)加工粗刀痕比較明顯，從圖 1(b)可清晰看到，這種情況很難使兩共軛齒面完全貼合，導(dǎo)致齒面接觸應(yīng)力上升，抗麻點(diǎn)剝落能力下降，最終形成淺層剝落或硬化層剝落。

(4)齒輪凸面沒有磨損，在此處測得有效硬化層為 0.75 mm，能真實(shí)反映熱處理后的產(chǎn)品質(zhì)量，通過分析可知齒輪硬化層偏下限也可能是造成硬化層剝落的原因之一。

5 措施和結(jié)論

根據(jù)上面的分析，得出錐齒輪硬化層剝落的可能原因，做出以下改進(jìn)：

(1)裝配時要對錐齒輪進(jìn)行齒隙的調(diào)整，通過增加或減少調(diào)整墊片來保證齒隙(0.05～0.15 mm)和齒輪的接觸部位，標(biāo)準(zhǔn)接觸位置如圖4所示。

圖4 齒輪接觸位置

(2)針對該齒輪強(qiáng)度要求較高，調(diào)整提高硬化層厚度到 0.9 或 1.0 mm。

(3)因齒輪表面機(jī)加工刀痕較粗，通過提高粗糙度、齒面進(jìn)行強(qiáng)化噴丸和對齒輪進(jìn)行研磨配對，提高齒面的接觸疲勞強(qiáng)度。

(4)使用高性能齒輪材料如 SAE4320H、17 CrNiMo6 等含Ni的合金鋼既能提高齒面的強(qiáng)度，又能保持良好的塑性和韌性，從而提高齒面接觸疲勞強(qiáng)度[6]。

(5)通過以上措施的實(shí)施，齒輪硬化層剝落問題得到有效解決，以后的試驗(yàn)和生產(chǎn)中未發(fā)生該故障。在提高齒輪強(qiáng)度的同時還有效地降低了錐齒輪產(chǎn)生的噪音，提升了發(fā)動機(jī)品質(zhì)，為類似產(chǎn)品的開發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)。