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20CrNi2Mo齿轮传动轴局部剥落失效分析 |
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作者：南京航空航天大学 王蕾 |
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摘要：通过对20CrNi2Mo齿轮传动轴斜齿轮局部剥落处进行宏观分析和微观断口分析，对比剥落处与完好处的宏观硬度与显微硬度分布以及金相组织和渗层深度，结合磁粉探伤检验结果。结果表明:齿轮轴经过渗碳热处理，在随后的机械磨齿过程中，由于磨削过多，致使渗层只有0.5mm，达不到技术要求。齿轮在交变接触应力的作用下，首先在齿面产生极小的显微裂纹，小裂纹进一步扩展，最终造成齿面剥落。此失效为接触疲劳失效导致的局部剥落。
关键词：齿轮传动轴；机械磨削；剥落失效
引言
某钢铁厂鼓风机功率为350kW，鼓风机增速箱上中间轴分左右两个斜齿轮，长约1.5m，转速为6000römin，润滑方式为喷油润滑。齿轮材料:20CrNi2Mo；齿轮工艺:渗碳+淬火+低温回火，技术要求齿轮表面经过热处理后HRC58～62，心部HRC35～42；渗层厚度d=1～1.5mm。在经过短期使用后，在传动齿轮轴的右齿轮上的某些啮合部分，发现有金属的剥落现象，且齿轮箱外橡皮密封圈有烧损现象，而与此配合的大齿轮完好无损，分析其原因。
1试验结果
1.1化学成分分析
在失效的小斜齿轮右轮上取样进行化学成分分析，结果见表1，各元素化学成分符合20CrNi2Mo的成分要求。
1.2宏观分析
对有金属剥落的小斜齿轮右轮，进行宏观肉眼观察，发现在齿轮啮合面有严重的金属剥落现象，且都处在同一齿面方向，并且齿轮啮合磨损地方的痕迹清晰可见，上半个齿面已磨损得较光亮，而同一齿轮轴的左轮却无剥落，发现齿轮磨损啮合得较好，磨损痕迹在整个齿面上。
1.3齿轮剥落断面分析
该齿轮轴属于剥落损伤，从剥落的方向看是轴向挤压形成，从密封套(铜制)在小齿轮轴上产生的磨痕(铜痕)看轴向挤压力相当大，并造成密封套定位段脱落，直接造成齿轮偏载，齿面承受力成倍增长。
1.4宏观硬度检测
对齿轮剥落处与完好处分别进行了宏观硬度测定。剥落处表层为53～54HRC，心部35～36HRC，完好处表层为59～60HRC，心部为35～39HRC。
1.5显微硬度分布
对齿轮剥落处与完好处分别进行了显微硬度测定见表2，3。
1.6渗层深度检测
为了进一步寻找齿轮早期失效的原因，根据国际标准规定当渗层硬度达到HV550到表层的距离为渗层的厚度，测得完好处齿轮的渗层厚度为1.2mm，符合齿轮技术要求，表层的硬度为60HRC。而剥落处渗层厚度为0.5mm，表层硬度为54HRC。齿轮渗层宏观照片见图2，从照片上可以看出，齿轮渗碳层一边厚一边薄，剥落处渗层浅，因而表面硬度达不到技术要求，这是造成早期失效的原因之一。
图2齿轮渗碳层宏观照片
1.7金相检验
对齿轮剥落处与完好处分别取样进行金相分析，图3是完好处渗层表层金相组织的照片，它由回火马氏体+残余奥氏体组成，马氏体针细小，符合组织的要求。图4，5是齿轮剥落渗层的金相照片，从图5上可以看出残余奥氏体的量几乎没有，马氏体针几乎也看不到。表明剥落处的表层的含碳量低于完好处。
图3完好处表层金相组织(高碳回火马氏体+残余奥氏体，400×)
图4剥落处表层金相组织(中碳回火马氏体+少量的残余奥氏体，100×)
图5剥落处表层金相组织(中碳回火马氏体+少量的残余奥氏体，400×)
1.8微观断口分析
图6，7为剥落处断口扫描电镜照片，从照片上可以明显显示出沿晶开裂形貌，能谱分析未见杂质元素存在。根据近表面剥落处断口的沿晶开裂形态和裂纹扩展的形态。可以认为:该沿晶开裂是一种接触疲劳开裂[1，2]。 
图6剥落处扫描电镜照片
图7裂纹扩展形貌
2讨论
增速箱齿轮轴上左右两个斜齿轮在工作时受轴向力和径向力作用，因此，左右两个圆柱斜齿轮在工作时轴向力基本抵消。只受径向力的作用，在正常工作状态下齿轮之间有润滑油，无研磨条件。但若润滑不良且受到某种非正常工作状态引起的外力的作用，就可能发生意外的研磨现象。例如，安装时轴线偏转，载荷偏载，齿轮间隙不当等原因。
本齿轮轴右轮斜齿轮化学成分，符合有关技术条件。由于齿轮轴剥落处与完好处取自同一小齿轮的右轮。完好处渗层组织及渗层深度和表层硬度和心部硬度均符合技术规定。表明此齿轮具有较好的金相组织和较高的表面强度，这些均有助于提高齿轮的接触强度、弯曲强度和耐磨性，从而也说明齿轮的渗碳工艺基本上是正常的[3，4]。从宏观观察和磁粉探伤检验，以及断口观察，此剥落属于接触疲劳失效。
综上所述，产生接触疲劳失效的原因，是由于渗碳淬火回火后，操作者在随后的机械磨齿过程中，使齿面磨削过多，致使渗碳层过浅，只有0.5mm，显然这么浅的渗层，难以承受齿轮的接触强度和耐磨性。齿轮在交变接触应力的作用下，首先在齿面产生极小的显微裂纹，称为麻点，麻点剥落继续发展，逐渐造成沿节圆的一条浅层剥落带，由于剥落的产生，齿轮的啮合急剧变化[5～9]。直接造成齿轮偏载，齿面承受力成倍增长，啮合面局部应力过大，轴向挤压力大，并造成密封套定位段脱落，在挤压应力的作用下，在齿面萌生微裂纹，并在周期应力作用下，小裂纹进一步扩展，最终造成齿面剥落。
3结论
齿轮轴产生剥落损伤原因是:齿轮轴经过渗碳淬火回火后，在机械磨齿过程中，因磨削量过大，致使渗碳层只有0.5mm，达不到技术要求，难以承受齿轮的接触强度和耐磨性；齿轮在交变接触应力的作用下，首先在齿面产生极小的显微裂纹，小裂纹进一步扩展，最终造成齿面剥落。此失效为接触疲劳失效。(end)
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(12/30/2006) |
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