摘 要:采用磁粉檢測(cè)、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)試、化學(xué)成分分析等方法對(duì)地鐵列車(chē)從動(dòng)齒輪表面大 量裂紋缺陷的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:齒輪表面裂紋的性質(zhì)為接觸疲勞裂紋,早期開(kāi)裂的 原因是磨齒過(guò)程中齒面發(fā)生了磨削燒傷。

關(guān)鍵詞:齒輪;磁痕;接觸疲勞裂紋;磨削燒傷 

中圖分類(lèi)號(hào):TG156.34;TG115.5                              文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                        文章編號(hào):1001-4012(2022)06-0063-03

在對(duì)某地鐵列車(chē)進(jìn)行架修時(shí),檢修人員發(fā)現(xiàn)一 件從動(dòng)輪齒輪表面發(fā)生局部剝離現(xiàn)象,接著對(duì)全齒 輪表面進(jìn)行滲透檢測(cè),結(jié)果發(fā)現(xiàn)齒輪表面存在裂紋, 且在檢修過(guò)程中并不存在齒輪箱缺油的現(xiàn)象。該地 鐵列車(chē)從動(dòng)齒輪的材料為20CrNi2Mo鋼。 

齒輪常見(jiàn)的疲勞失效模式主要包括齒根彎曲疲 勞和齒面接觸疲勞,其中齒面接觸疲勞是閉式齒輪 的主要失效形式,又表現(xiàn)為疲勞點(diǎn)蝕和剝落[1-3]。另 外,硬齒面處的磨削燒傷也越來(lái)越引起生產(chǎn)方和科 研工作者的關(guān)注[4-6]。

1 理化檢驗(yàn) 

1.1 宏觀觀察 

該從動(dòng)齒輪宏觀形貌如圖1所示,首先對(duì)其進(jìn) 行形位公差和齒形齒向檢查,結(jié)果未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

齒面形貌顯示幾乎所有齒面(兩側(cè))均平行分布著大 量裂紋;齒面正常部位的加工紋理呈波紋狀,略顯 粗糙。 

1.2 磁粉檢測(cè) 

對(duì)該從動(dòng)齒輪進(jìn)行磁粉檢測(cè),結(jié)果如圖2所示, 由圖 2 可知,所有齒面 (兩側(cè))均存在平行分布 的 磁痕。 

1.3 酸洗檢查 

為了確保待檢齒輪不被酸液腐蝕而影響后續(xù)的 檢查結(jié)果,對(duì)齒輪進(jìn)行半齒輪酸洗,即將齒輪懸吊, 一半浸入酸洗,另一半暴露在空氣中,相當(dāng)于只對(duì)半 個(gè)齒輪進(jìn)行酸洗檢查。酸洗后的齒輪宏觀形貌如 圖3所示,由圖3可知:所有齒面均有不同程度的燒傷,其中一側(cè)齒面除齒頂修緣處外,其余部位全部燒 傷;另一側(cè)齒面燒傷程度相對(duì)較輕,更加集中于齒 根側(cè)。

1.4 化學(xué)成分分析 

該從動(dòng)齒輪的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示, 齒輪的材料符合技術(shù)要求。 

1.5 金相檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步確認(rèn)齒面是否存在燒傷特征,并判 定燒傷的嚴(yán)重程度,以及燒傷與裂紋類(lèi)缺陷之間的 關(guān)系,在齒輪的不同區(qū)域線(xiàn)切割取樣,在光學(xué)顯微鏡 下觀察,其微觀形貌如圖4所示。由圖4可知:齒輪 為全齒面燒傷,且燒傷范圍非常明顯。裂紋類(lèi)缺陷 均產(chǎn)生于 燒 傷 區(qū),但 燒 傷 程 度 較 輕 且 未 燒 傷 區(qū) 無(wú) 裂紋。 

在從動(dòng)齒輪上隨機(jī)切取兩個(gè)齒塊進(jìn)行金相檢 驗(yàn),結(jié)果如圖5~7所示,由圖5~7可知:齒輪裂紋 均萌生于齒面,裂紋局部呈斷續(xù)狀,當(dāng)裂紋擴(kuò)展至一 定深度后,轉(zhuǎn)向與齒面平行擴(kuò)展,為典型的接觸疲勞 裂紋特征;所有裂紋深度均小于1mm,裂紋轉(zhuǎn)向深 度約為0.4~0.7mm,該處恰好為最大切應(yīng)力處,再次證實(shí)裂紋為接觸疲勞產(chǎn)生;正常區(qū)域節(jié)圓表面組 織為針狀回火馬氏體+少量貝氏體+殘余奧氏體, 齒根表面存在深度約為20μm 的非馬氏體組織,心 部組織為馬氏體+貝氏體;裂紋附近齒面存在深度 小于2μm 的白亮層組織,裂紋兩側(cè)未見(jiàn)氧化和脫 碳現(xiàn)象,組織仍為回火馬氏體,但回火溫度偏高,具 體表現(xiàn)為裂紋附近的耐腐蝕能力較低,馬氏體針狀 特征不明顯和硬度偏低。

1.6 硬度測(cè)試 

對(duì)從動(dòng)齒輪正常部位的節(jié)圓和齒根處,以及燒 傷區(qū)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,結(jié)果如圖8所示。由圖8 可知:正常部位節(jié)圓和齒根處的硬度梯度較為平緩, 表面硬度合格,硬化層深度滿(mǎn)足技術(shù)要求。燒傷區(qū) 的“低硬度區(qū)”深度約為0.4~0.7mm,這與裂紋擴(kuò) 展深度吻合較好;齒輪的表面硬度約為52HRC,遠(yuǎn) 低于技術(shù)要求(≥58HRC)。

2 綜合分析 

根據(jù)上述結(jié)果可知,齒面裂紋的性質(zhì)為接觸疲 勞裂紋,這是因?yàn)辇X面過(guò)度回火造成其強(qiáng)度和硬度 下降?，F(xiàn)場(chǎng)并未發(fā)現(xiàn)齒輪箱缺油,因此可排除齒面 因缺油而造成的干摩擦,這點(diǎn)也可從主動(dòng)齒輪保存 完好得到證實(shí)。在干摩擦情況下,一般接觸頻率更 高的主動(dòng)齒輪將優(yōu)先發(fā)生齒面失效。再結(jié)合從動(dòng)齒 輪生產(chǎn)工藝及同批次產(chǎn)品對(duì)比排查,最終確認(rèn)該從 動(dòng)齒輪失效的根本原因是磨齒工藝不當(dāng)造成磨削 燒傷。 

文獻(xiàn)[7]對(duì)因磨削造成的齒面硬度下降而引發(fā) 的接觸疲勞開(kāi)裂的原因進(jìn)行了較為深入的研究和探 討,指出接觸疲勞裂紋產(chǎn)生的根源是剪切應(yīng)力與齒 面強(qiáng)度二者之間的關(guān)系,剪切應(yīng)力與齒輪承載設(shè)計(jì)、工況等直接相關(guān),而齒面強(qiáng)度則與表面硬化方式有 關(guān),滲碳、氮化、感應(yīng)是軌道交通用齒輪最為常見(jiàn)的 3種齒面硬化方式,各有利弊,不管哪種硬化方式均 是根據(jù)具體的服役工況而定的。在硬齒面齒輪產(chǎn)品 的制造過(guò)程中,往往更多地關(guān)注了齒面的硬化工藝, 而對(duì)后續(xù)的磨削加工等有所忽視,陳國(guó)民[8-9]對(duì)磨削 導(dǎo)致的齒面硬度變化進(jìn)行了闡述。 

從動(dòng)齒輪裂紋一旦露頭于齒面,潤(rùn)滑油將滲入 裂紋面并在齒輪的嚙合作用下形成高壓油腔,加快 了裂紋的擴(kuò)展與剝落的過(guò)程[10]。

3 結(jié)語(yǔ)與建議

(1)從動(dòng)齒輪的所有齒面均存在不同程度的 燒傷。 

(2)齒面裂紋的性質(zhì)為接觸疲勞裂紋。 

(3)開(kāi) 裂 均 發(fā) 生 在 燒 傷 程 度 較 為 嚴(yán) 重 的 齒 面上。 

(4)建議嚴(yán)格把控磨齒工藝,制定作業(yè)指導(dǎo)書(shū), 及時(shí)關(guān)注試樣的檢測(cè)結(jié)果,有效預(yù)防磨削燒傷現(xiàn)象 的發(fā)生。 

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<文章來(lái)源> 材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 58卷 > 6期 (pp:63-65)>