摘 要:某２０CrNi２Mo鋼制齒輪服役一段時(shí)間后,齒面出現(xiàn)了較多點(diǎn)坑狀缺陷.采用宏觀分 析、掃描電鏡分析、金相檢驗(yàn)等方法對該齒輪缺陷出現(xiàn)的原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:齒面及齒頂 凹凸不平的點(diǎn)坑狀缺陷均由電蝕所致.電蝕使得局部油膜無法建立,加之電蝕放電后形成高硬、高 脆的淬火馬氏體,在循環(huán)嚙合作用下齒輪發(fā)生磨損并出現(xiàn)接觸疲勞剝落. 

關(guān)鍵詞:齒輪;電蝕;摩擦;磨損;馬氏體 

中圖分類號:TH１３２．４１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０７３７Ｇ０４

近十年來,隨著軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展,高 寒、高速、重載等工況日益復(fù)雜化,作為重要傳動(dòng)件 的齒輪失效事故也日益增多.齒輪的失效形式多種 多樣,常見的有齒面磨損、點(diǎn)蝕、塑性變形、折齒、疲 勞斷裂、偏載、電蝕等[１Ｇ６].

某線路地鐵滲碳鋼齒輪材料為２０CrNi２Mo鋼, 熱處理工藝為滲碳淬火＋低溫回火,服役一段時(shí)間 后拆檢時(shí)發(fā)現(xiàn)齒面存在較多點(diǎn)坑狀缺陷.為查明該 齒輪出現(xiàn)缺陷的原因,筆者對其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析.

１ 理化檢驗(yàn) 

１．１ 宏觀分析

宏觀觀察齒輪的齒面未見塑性變形、異常磨損、 偏載、斷裂現(xiàn)象,圖１中箭頭所指處為齒面缺陷較為嚴(yán)重的齒條. 

經(jīng)拆解清洗后,從動(dòng)齒輪的宏觀形貌如圖２所 示.齒面缺陷特征主要表現(xiàn)為以下幾方面:①整體 呈 L型或 Z型等;②表面存在明顯的回火特征,局 部呈藍(lán)色或淡黃色;③內(nèi)部呈點(diǎn)坑狀熔融態(tài)特征;④ 部分缺陷分布于齒頂處,值得注意的是,齒頂在齒輪 傳動(dòng)過程中為非嚙合區(qū);⑤缺陷周圍齒面磨加工痕 跡清晰可見,未見明顯異常;⑥非缺陷區(qū)域齒面完好,未發(fā)現(xiàn)偏載、偏磨現(xiàn)象. 

主動(dòng)齒輪的宏觀形貌如圖３所示.齒面缺陷特 征主要表現(xiàn)為兩方面:①缺陷呈 Z 型分布,內(nèi)部呈 點(diǎn)坑狀熔融特征且伴有回火色,缺陷周圍齒面形貌 完好(I處);②齒面局部出現(xiàn)了斑痕類磨損區(qū)域(II處).值得注意的是,該磨損區(qū)與從動(dòng)齒輪齒面的斑 痕位置恰好對應(yīng).

１．２ 掃描電鏡分析 

對上述從動(dòng)齒輪和主動(dòng)齒輪的４處缺陷取樣, 使用SＧ３７００N 型掃描電鏡進(jìn)行觀察.可見從動(dòng)齒 輪齒面和齒頂處缺陷均表現(xiàn)為熔融態(tài)特征,有云形 花樣且熔滴局部呈濺射狀,見 圖 ４ 和 圖 ５.GB/T ３４８１－１９９７«齒輪輪齒磨損和損傷術(shù)語»指出:“電蝕 是由于齒輪嚙合齒面間放射出的電弧或電火花的作 用,在齒輪齒面上形成的許多邊緣光滑的小弧坑,有 融熔放電特征,齒面有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)較大面積灼傷,其 邊緣呈現(xiàn)出回火色.”結(jié)合宏觀分析結(jié)果可判定,從 動(dòng)齒輪齒面出現(xiàn)了典型的電蝕現(xiàn)象,這與文獻(xiàn)[７]所 述電蝕形貌也是吻合的. 

主動(dòng)齒輪缺陷微觀特征與從動(dòng)齒輪的相同,見 圖６.主動(dòng)齒輪斑痕類磨損區(qū)微觀形貌呈點(diǎn)狀剝離 小坑,坑底比較平滑,具有疲勞磨損特征,見圖 ７. 這是由于嚙合齒面發(fā)生電蝕后,在隨后的運(yùn)行過程 中,缺陷處油膜無法建立,局部發(fā)生疲勞破壞所致. 

１．３ 金相檢驗(yàn) 

使用光學(xué)顯微鏡對缺陷處試樣進(jìn)行顯微組織觀察.從動(dòng)齒輪齒面缺陷處呈凹陷狀,局部存在凸起, 表面組織為白亮的淬火馬氏體,次表層回火特征明 顯,腐蝕易變色,見圖８.對其進(jìn)行硬度測試發(fā)現(xiàn), 表層白亮組織硬度約為７５０HV０．１(６２．５HRC),次 表層深 色 組 織 硬 度 為 ５００~６００ HV０．１(４９．５~ ５５．５HRC),再 次 表 層 硬 度 則 回 歸 正 常,約 為 ６５０HV０．１(５８．５HRC).從 動(dòng) 齒 輪 齒 頂 附 近 缺 陷 處顯微組織特征同上,局部有微裂紋萌生,裂紋深度 較淺,僅限于淬火馬氏體范圍內(nèi),見圖９.主動(dòng)齒輪 齒面缺陷處顯微組織特征也同上,白亮層深度略淺, 見圖１０.主動(dòng)齒輪斑痕磨損區(qū)具有疲勞剝離特征, 與圖７相吻合,裂紋深度較淺(約１０μm),表面存在 很淺(約 １μm)的一 層 白 亮 組 織,見 圖 １１.此 外, 主、從動(dòng)齒輪正常部位的檢測結(jié)果均滿足相關(guān)技術(shù) 要求. 

２ 分析與討論 

由上述分析可知,齒輪齒面發(fā)生了電蝕,局部油 膜無法建立進(jìn)而導(dǎo)致疲勞磨損.電蝕示意圖見圖 １２ [８],以齒輪為例,主、從動(dòng)齒輪在相互嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí), 電流在其接觸區(qū)域內(nèi)流動(dòng),接觸區(qū)內(nèi)的非接觸部分 則會(huì)擊穿潤滑油膜形成火花放電,極短時(shí)間內(nèi)造成 局部受熱熔化,甚至焊接在一起,使得齒面燒傷,形 成電弧坑.賀澤龍[９]和胡高舉[１０]等從不同角度深 入研究了齒面電蝕產(chǎn)生的機(jī)理.電蝕不僅會(huì)損壞齒輪本身,而且電蝕磨損產(chǎn)生的微粒會(huì)導(dǎo)致潤滑劑變 質(zhì),嚴(yán)重影響齒輪的使用壽命.

存在電蝕并不是導(dǎo)致齒輪快速失效的唯一原因. 同樣,齒面失效也不完全是由摩擦磨損造成的.齒輪 迅速失效往往是兩者交替復(fù)合的結(jié)果.電蝕放電后的熔融態(tài)金屬在潤滑液激冷作用下形成白亮層,該白 亮層為淬火馬氏體,硬度高、脆性大,在摩擦磨損過程 中極易萌生顯微裂紋并發(fā)生擴(kuò)展,使得局部金屬脫 落.加之電蝕坑區(qū)域凸起的部位在反復(fù)嚙合中產(chǎn)生 金屬微粒,兩者摻雜在潤滑油里構(gòu)成研磨劑,惡化了 潤滑環(huán)境,從而加劇齒輪磨損導(dǎo)致其提前失效. 

３ 結(jié)論及建議

(１)該齒輪發(fā)生了電蝕摩擦磨損.齒輪齒面和 齒頂?shù)狞c(diǎn)坑狀缺陷均呈熔融態(tài)特征,顯微組織為高 硬、高脆的淬火馬氏體,極易萌生顯微裂紋并發(fā)生擴(kuò) 展,加之電蝕使得局部油膜無法建立,導(dǎo)致齒輪在循 環(huán)嚙合作 用 下 發(fā) 生 磨 損,并 出 現(xiàn) 了 接 觸 疲 勞 剝 落 現(xiàn)象. 

(２)建議提高輪齒表面的磨加工精度,避免明 顯磨削刀痕的出現(xiàn);保證主、從動(dòng)齒輪嚙合面之間充分潤滑;可能通過漏電流的齒輪裝置應(yīng)嚴(yán)格絕緣,并 采用合理的接地裝置.

參考文獻(xiàn): 

[１] 王榮．汽車主軸齒輪斷裂失效分析[J]．理化檢驗(yàn)(物 理分冊),２００７,４３(５):２５７Ｇ２５９． 

[２] 徐濤元．齒輪開裂 失 效 分 析 [J]．理 化 檢 驗(yàn) (物 理 分 冊),２００９,４５(５):３１５Ｇ３１７． 

[３] 王春亮,楊力,劉樂,等．齒輪的失效分析[J]．理化檢 驗(yàn)(物理分冊),２００７,４３(７):３６６Ｇ３６９． 

[４] 陳敢澤．齒輪常見的失效形式及預(yù)防[J]．中國特種設(shè) 備安全,２００８,２４(１０):４６Ｇ４９． 

[５] 龔寄．齒輪失效分析及其故障診斷方法研究[J]．裝備 制造技術(shù),２０１６(８):１３８Ｇ１４０． 

[６] 陳亮,吳剛,譚小明,等．大型從動(dòng)齒輪油槽開裂原因 分析[J]．金屬加工(熱加工),２０１７(３):１４Ｇ１７． 

[７] 潘紫微,羅銘,朱孝錄．齒輪齒面電蝕失效分析[J]．機(jī) 械傳動(dòng),１９９７,２１(３):２６Ｇ２８． 

[８] 汪久根,馮蘭蘭,李陽．粗糙表面形貌對電蝕的影響 [J]．浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),２０１５(１１):２０２５Ｇ２０３２． 

[９] 賀澤龍,韋云隆,張光輝,等．齒輪齒面電蝕機(jī)理[J]． 重慶大學(xué)學(xué)報(bào),２０００,２３(６):２７Ｇ３０． 

[１０] 胡高舉,韋云隆,曹新進(jìn),等．齒輪電蝕失效分析[J]． 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,２００１,１７(１):５７Ｇ５８．

<文章來源>材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊 > 55卷 > 10期 (pp:737-740)>