摘 要:某產(chǎn)線變速箱齒輪發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、掃描電鏡和能譜分析、金 相檢驗(yàn)以及硬度測試等方法,分析了齒輪斷裂的原因。結(jié)果表明:齒輪化學(xué)成分不符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo) 準(zhǔn) GB/T699—2015的要求,且斷裂輪齒組織為粗大的魏氏體,并存在大量以氧化鋁為主的非金屬 夾雜物,導(dǎo)致齒輪的韌性和耐磨性大幅降低。在服役過程中,齒輪在傳遞動力時(shí)長期受彎曲疲勞應(yīng) 力以及異常組織和夾雜物的影響,最終發(fā)生斷裂。 

關(guān)鍵詞:齒輪;斷裂;魏氏體;非金屬夾雜物 

中圖分類號:TG115.2                                         文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                                      文章編號:1001-4012(2022)07-0062-03

在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中,齒輪往往起著重要的 作用,齒輪一旦失效則會造成重大事故。齒輪失效 最常見的一種形式是輪齒斷裂,是機(jī)械工程領(lǐng)域最 為嚴(yán)重的事故[1],同時(shí)也是變速箱零部件中發(fā)生失 效概率較高的類型之一[2]。某齒輪作為產(chǎn)線變速箱 的核心零件之一,在運(yùn)行過程中發(fā)生故障,經(jīng)停機(jī)拆 解后,發(fā)現(xiàn)該齒輪的輪齒頂部嚴(yán)重磨損并出現(xiàn)斷裂, 同時(shí)輪齒頂部呈現(xiàn)出疑似缺陷剝落現(xiàn)象,為進(jìn)一步 查找、分析其斷裂故障原因,筆者對斷裂齒輪進(jìn)行了 一系列理化檢驗(yàn)。齒輪設(shè)計(jì)材料為45Mn鋼,其原 材料執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T699—2015 《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu) 鋼》,齒輪成品經(jīng)過調(diào)質(zhì)、滲碳及淬火處理。

1 理化檢驗(yàn) 

1.1 宏觀觀察

 斷裂齒輪的宏觀形貌如圖1所示,由圖1可知: 輪齒頂部呈現(xiàn)肉眼可見的疑似缺陷剝落現(xiàn)象,同時(shí) 在斷裂位置未見明顯塑性變形區(qū)域,局部區(qū)域顏色 較深。 

1.2 化學(xué)成分分析 

從斷裂齒輪上取樣并進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果 如表1所示。由表1可知:齒輪中碳、錳元素含量較 低,不符合 GB/T699—2015 《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對 45Mn鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求,鎳元素雖然滿足 GB/T699— 2015的要求,但實(shí)測值偏低。 

1.3 掃描電鏡及能譜分析

 在齒輪的斷裂處取樣,并對其截面進(jìn)行磨拋處 理,然后置于掃描電鏡(SEM)下觀察,同時(shí)對斷裂 處的異常部位進(jìn)行能譜(EDS)分析。齒輪斷裂截面 不同區(qū)域 SEM 形貌如圖2所示,發(fā)現(xiàn)存在大量非 金屬夾雜物。對非金屬夾雜物進(jìn)行 SEM 觀察,其 形貌如圖3所示。用能譜儀對齒輪斷裂截面進(jìn)行分 析,發(fā)現(xiàn)夾雜部位存在較高含量的氧和鋁元素,鋁元 素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)32.79%,說明在齒根處存在大量 以氧化鋁為主的非金屬夾雜物,同時(shí)伴有硫化錳夾 雜物。結(jié)合夾雜部位的元素分布面掃描結(jié)果分析, 發(fā)現(xiàn)存在氧、鋁、硫、錳元素,進(jìn)一步確認(rèn)了氧化鋁及 硫化錳非金屬夾雜物的存在(見圖4)。

1.4 金相檢驗(yàn)

 在齒輪斷 裂 截 面 處 取 樣,試 樣 經(jīng) 4% (體 積 分 數(shù))硝酸酒精溶液侵蝕后,在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行顯微 組織觀察,結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出:輪齒 處存在大量粗大的魏氏體。

1.5 硬度測試 

在齒輪斷裂截面處取樣,試樣經(jīng)磨拋后采用全 洛氏硬度計(jì)進(jìn)行洛氏硬度試驗(yàn),依據(jù) GB/T230.1— 2018《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第 1 部分:試驗(yàn)方 法》進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)力為1.471kN,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2可以看出:齒輪的硬度不滿足該齒輪 的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求,硬度測試結(jié)果與金相檢驗(yàn)中魏氏 體的出現(xiàn)是對應(yīng)的。 

2 綜合分析 

理化檢驗(yàn)分析結(jié)果表明:齒輪輪齒的頂部位置 呈現(xiàn)出肉眼可見的疑似缺陷剝落現(xiàn)象,同時(shí)在斷裂 處未見明顯塑性變形區(qū)域;齒輪的化學(xué)成分不滿足 GB/T699—2015的標(biāo)準(zhǔn)要求,而且部分元素偏離 較大;斷裂的輪齒處存在大量粗大的魏氏體。魏氏 體是在過熱區(qū)內(nèi),粗大的奧氏體在較快冷卻速率下 形成的 一 種 特 殊 的 過 熱 組 織,由 于 其 晶 粒 粗 大, 同 時(shí)大量鐵素體針片形成脆弱面,因此降低了材料的韌性。一般來說,調(diào)質(zhì)過程中溫度較高,會導(dǎo)致魏 氏體的形成[3],但該斷裂齒輪未見明顯調(diào)質(zhì)處理跡 象。同時(shí),齒輪中還存在大量的非金屬夾雜物,其硬 度也不符合設(shè)計(jì)要求。受上述諸多因素的共同影 響,齒輪的輪齒在彎曲疲勞應(yīng)力作用下,隨著齒根部 位的應(yīng)力集中,齒輪的疲勞壽命降低[4],最終發(fā)生斷 裂失效。 

3 結(jié)論及建議

 (1)該齒輪長時(shí)間受彎曲疲勞應(yīng)力以及材料中 存在異常組織和非金屬夾雜物,最終導(dǎo)致了齒輪斷 裂失效。 

(2)選擇齒輪時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注其彎曲疲勞強(qiáng)度、 耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度,同時(shí)還要求輪齒心部具有 足夠的硬度和韌性等。

參考文獻(xiàn): 

[1] 馮紫萱,馮文博,李軻.減速機(jī)齒輪斷裂原因分析[J]. 山西冶金,2020,43(3):34-35. 

[2] 陳鄖,皇百紅,楊亮波,等.變速箱中間軸常嚙合齒輪 斷裂失 效 分 析 [J].金 屬 材 料 與 冶 金 工 程,2021,49 (6):17-21. 

[3] 武坤,楊帆,王秀健,等.力矩扳手連接桿的斷裂原因 及熱處理工藝改進(jìn)[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊),2021, 57(11):71-74. 

[4] 王華.分動 箱 齒 輪 斷 裂 原 因 [J].理 化 檢 驗(yàn) (物 理 分 冊),2021,57(2):63-66. 

<文章來源> 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊 > 58卷 > 7期 (pp:62-64)>