圓錐齒輪失效分析

2013-09-04 真空技術網真空技術網整理

　　采用宏觀斷口分析和微觀組織分析法，探討了圓錐齒輪產生崩塊和齒面擠傷等失效的原因，提了相應的改進和防止早期失效的技術和工藝措施。

1、問題提出

　　某型的四噸載重卡車僅運行三千多公里，其傳動系統噪聲增大，在未達到運行五千公里時因主減速器從動齒輪突然斷齒而拋錯，拆修時發現，主動圓錐齒輪存在著嚴重崩塊、齒面擠傷和麻點剝落，肉眼觀察到主動圓錐齒輪崩塊，齒面擠傷約80 % ，失效情況嚴重，制造廠要求分析。

2、檢驗方法與結果

　　調查了失效件材料和有關熱處理工藝及技術要求為:材料為20MnVB ，要求滲碳層深度為1.3～1.5mm ，淬火、低溫回火后齒表面層硬度為RC58～RC64 ，心部硬度RC30～RC45 ，滲碳層不允許有網狀碳化物。

　　對失效部位進行了肉眼和放大6 倍觀察，選擇典型特征部位截取金相試樣和測定化學成份樣塊;然后測定化學成份和有關部位硬度;對制備的金相試樣按觀察的要求采用不同腐蝕劑進行腐蝕，并觀察分析照相。測定分析結果如下:

　　失效齒輪化學成份:C 0.25 ，Mn 1.47 ，V 0.09 ，B 0.004。在崩齒和擠傷嚴重部位表面層多處存在細小裂紋;一類形狀如圖2 所示，裂紋起源于與表面層呈銳角的金屬氧化物片層尖端，總長約0.32mm ，距表面約0.04mm ;該輪齒表面滲碳層深約2.1mm；另一類裂紋如圖3 、圖4 所示，圖3 中裂紋主枝長約1mm ，與表面呈約60.角，在由表面0.5 - 0.75mm 處裂紋粗大，距表面約0.9mm 處出現分枝，向水平發展的分枝與另一側主裂紋的分枝相連接;所有裂紋分枝都有發展趨勢;圖4 中裂紋呈L 型，其水平部位距表面約0.5mm ;在此深度還發現數條類似該照片中平行裂紋的獨立細小裂紋。用光學顯微鏡觀察圖3中所示裂紋尖端，可以看到裂紋皆沿粗大馬氏體束界發展而形成網絡，且有晶粒脫落現象.

3、結果分析

　　已經知道，在純接觸應力作用下接觸面由表及里所受切應力的分布，其最大值存在于距表面0.786b 處。影響切應力分布狀態的主要因素是外力大小、材料彈性、接觸體形狀尺寸以及接觸時滑動摩擦的程度;當接觸應力增大時，切應力相應增大；當材料彈性模量小或接觸過程中接觸處曲率半徑大時，切應力相應減小；當接觸過程中伴隨有滑動摩擦時，表面摩擦力與切應力部分疊加，導致綜合切應力極大值的位置向表面移動，尤其是當摩擦系數M > 0.2 時，切應力極大值將移至接觸表面層。

　　由于失效件是滲碳件，因滲碳后淬火而其由表及里Ms 點依次升高，組織轉變先后次序不同，最終導致表面層分布有殘余壓應力而心部存在殘余拉應力;隨滲碳層增厚，其由表及里的Ms 點有所變化，組織轉變的不同性也有相應變化，最終使表面層殘余壓應力減小而心部殘余拉應力增大[3 ] ，該失效件滲碳層深度達2.1mm ，使表面層殘余壓應力大大減小，且該類件通常承載大而作用時間長，服役過程不可避免地受沖擊和因摩擦導致的滑動，這使綜合切應力值增大且其極大值在表面至0.786b 之間移動，切應力極大值在某些部位或區域近乎材料強度值。

　　又由于滲碳時間長或加熱溫度高(滲碳層深約2.1mm) ，導致晶粒不均勻長大，同時促使含硼脆性相在晶界偏聚，使滲碳層韌性和強度以及塑性下降而脆性增大。當汽車在較平坦道路運行時，具有較小的沖擊載荷，輪齒表面層則易于產生塑性變形(主要是滲碳工藝的擴散階段使表面層含碳量降低而隨后淬火所得板條馬氏體數量相對較多，塑韌性較好) 而出現均勻分布的細小滑移線，由于受交變應力，細小滑移線處產生形變硬化使位錯運動受阻塞積而導致此外應力集中不斷增大，以致使滑移再次進行，這一反復過程使滑移線變長增寬加深即形成駐留滑移帶;當相互靠近的駐留滑移帶間距較小(小于10A) 時，兩滑移面上異號位錯發生反應而抵消，即形成微空洞而聯接駐留滑移帶成為疲勞裂紋核心，隨著裂紋擴展和微斷口的發生，表面層出現了圖1中呈現的麻點剝落和表面至0.786b 之間的水平獨立裂紋，而表面層大區域微觀塑性變形積累則形成宏觀的輪齒表面擠傷;由于程度不同的硼脆以及表面層粗大馬氏體組織存在，加之齒端部受沖擊相對強烈，導致輪齒崩塊;而崩塊部位尖角處應力集中又導致產生微裂紋，這類裂紋擴展到齒表面層中強韌性薄弱區與其它裂紋連接，并沿粗大馬氏體束界繼續擴展，形成裂紋網絡，所有這些裂紋均分布在齒表面至0.786b 之間的不同層深處。