風源主機從動齒輪斷齒失效分析

■ 李忙，姜永升，陳潤松

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該失效齒輪為63m3風源壓縮機主機從動齒輪，材質為20CrMnMo合金鋼。生產工序為坯料鍛造→正火→車加工→滲碳+淬火→低溫回火→磨齒→無損檢測。運行一段時間后發生多齒全部或部分折斷，鍵槽位置出現嚴重塑性變形，損壞情況嚴重，如圖1所示。

1.試驗材料及方法

（1）宏觀分析 從失效齒輪上截取3個典型區域進行分析，如圖2～圖4所示。

圖1 失效齒輪

圖2 凹坑及麻點區

圖3 金屬剝落區

圖4 斷口形貌

由圖2可以看出，在齒輪齒根附近出現凹坑及麻點區，經分析為齒面點蝕造成。

由圖3可以看出，在點蝕區存在較大面積大塊金屬剝落現象，剝落坑較大且深，且邊緣輪廓較清晰但是形狀不規則，斷面較光滑，可見疲勞弧線，判斷為疲勞斷口。

圖4所示斷口呈放射狀，放射方向與裂紋擴展方向大致平行，放射中心即為裂紋源，該裂紋源為線源，為過載斷口特征。

（2）化學成分分析 經直讀光譜儀測定，該齒輪材料的化學成分如表1所示。

其中Cu元素超出標準要求，其他元素含量符合技術標準要求。

（3）顯微組織分析 對失效齒輪中保留較好的齒進行顯微組織分析，依據TB/T 2254—1991：齒輪表面組織1級，如圖5所示；心部組織6級，如圖6所示。符合技術標準要求。

圖5 表面組織

表1 化學成分（質量分數） （%）

圖6 心部組織

（2）硬度和硬化層深度 具體數據如表2所示。

表2 硬度和硬化層深度

從表2可以看出齒根的表面硬度和硬化層深度均不符合技術標準要求。

2.試驗結果與分析

（1）凹坑區金相分析 對圖2所示區域進行解剖，通過金相顯微鏡觀察麻點及凹坑區組織，如圖7所示。

由上述圖片可以得出金屬剝落的原因及過程。齒輪在運行過程中，齒面受到剪切應力和摩擦力，其方向和分布如圖8所示，由于摩擦力的作用使齒面發生塑性變形，出現明顯的金屬塑性流動，且越靠近表面塑性流動越嚴重。然后在塑性變形的薄弱區出現沿著塑性流動方向的初始裂紋，裂紋方向大致平行，并有向深處擴展的趨勢。

眾所周知，閉式齒輪箱中潤滑油的潤滑冷卻作用是在齒輪嚙合區應存在潤滑油膜。當潤滑油進入裂紋后被封住, 會產生很大油壓, 使裂紋擴展，形成麻點和凹坑，且凹坑周圍可能存在二次裂紋（見圖7c）。最后裂紋的繼續擴展會使凹坑變大、變深，最終形成金屬的剝落（見圖3）。

圖7

圖8 齒面摩擦力與剪切應力分布

（2）分析與討論 齒面金屬剝落會直接導致輪齒的承載力分布不均勻和承載能力的下降，同時輪齒抗剪強度的下降，在載荷不變的情況下會導致發生金屬剝落的輪齒過載折斷，破壞了齒輪的連續傳動。在后續齒輪嚙合過程中，對其他輪齒會產生沖擊載荷，特別在齒根處易形成應力集中，產生較大切應力，當超過材料強度極限時，會在齒根處形成過載裂紋，最終導致輪齒折斷。齒根裂紋如圖9所示。

圖9 齒根裂紋

試驗表明，提高齒面硬度，可以增強齒面抗點蝕能力。經過理化分析該從動齒輪的齒面處硬度為54.0HRC，低于標準要求值，直接導致了材料接觸疲勞強度大幅度下降，降低了齒面的抗點蝕能力。同時齒面處的硬化層深度較淺，降低了材料抗裂紋尖端擴展強度，使裂紋易于向輪齒內部擴展，形成較深的剝落坑，降低了輪齒承載力，最終造成受損輪齒的過載折斷，導致了齒輪在運行過程中的提前失效。

（3）鍵槽變形區分析 對圖1b所示鍵槽變形區進行金相分析，金相照片如圖10所示。

由圖10可以看出，鍵槽變形區表面組織出現分層，最表面有淬火馬氏體組織，說明存在摩擦熱導致的高溫淬火現象，且塑性變形嚴重，表面形貌由光滑平整過渡成鋸齒狀粗糙的表面，說明齒輪經過了較大的沖擊振動載荷，驗證了齒根裂紋形成的原因。

圖10 變形區形貌

3.結論和建議

（1）該從動齒輪齒根處的表面硬度和硬化層深度的不合格，是導致齒輪提前失效的主要原因。

（2）齒輪齒根處過渡圓弧較小，易形成應力集中。

（3）建議加強過程控制，嚴格控制產品質量，使產品各項指標均達到技術標準要求。