輸入軸/輸入主動錐齒輪失效分析

靈 敏 高建國

(內蒙古第一機械集團有限公司，包頭 014032)

科研所送檢失效的輸入軸和輸入主動錐齒輪，宏觀形貌見圖1、圖2。輸入軸材料為某合金鋼，輸入主動錐齒輪材料為某合金結構鋼，輸入軸花鍵部位與輸入主動錐齒輪的花鍵部位相配合，宏觀形貌見圖3。據(jù)送檢人員介紹，輸入軸和輸入主動錐齒輪在總行程約一萬多千米時發(fā)現(xiàn)失效。

圖1 輸入軸宏觀形貌

圖2 錐齒輪宏觀形貌

圖3 兩個零件的配合情況

輸入軸和輸入主動錐齒輪為外購件，具體工藝不詳?，F(xiàn)對送檢的兩個失效件進行如下解剖分析。

1 實驗方法

宏觀分析、化學成分分析、硬度檢測、顯微組織分析及硬度梯度檢測。

2 實驗結果

2.1 宏觀分析

輸入軸與輸入主動錐齒輪配合的花鍵部位有受嚴重擠壓及磨損現(xiàn)象，兩個零件配合長度應為60.5 mm，被擠壓磨損后配合長度變?yōu)?3 mm，磨損后的花鍵寬度約為4 mm，見圖4箭頭1所指。未磨損的花鍵寬度為10 mm，與卡套配合的輸入軸端面也存在擠壓磨損痕跡，見圖4箭頭2所指。

圖4 輸入軸花鍵處的磨損

輸入主動錐齒輪多個輪齒凹面有麻點剝落現(xiàn)象，見圖5、圖6；輪齒大端已崩齒斷裂，斷口有明顯的疲勞源、疲勞擴展區(qū)及瞬時斷裂區(qū)，疲勞源均位于靠近凹面的大端的麻點剝落處，見圖7、圖8；凸面靠近大端有磨損痕跡，見圖9；該齒輪花鍵齒部位基本無損，見圖10。

圖5 錐齒輪輪齒凹面

圖6 錐齒輪輪齒凹面

圖7 錐齒輪斷口形貌

圖8 錐齒輪斷口形貌

圖9 錐齒輪輪齒凸面

圖10 錐齒輪花鍵齒部位

2.2 化學成分分析

分別在輸入軸和錐齒輪基體上取樣，進行化學成分分析。分析結果表明，輸入軸化學成分不符合GB/T 3077-1999中某合金鋼的成分規(guī)定，符合此標準中40Cr的成分規(guī)定；輸入主動錐齒輪除碳含量偏高外其余所檢元素均符合以上國家標準中某合金結構鋼的成分規(guī)定。

2.3 硬度檢測

從輸入軸的花鍵部位取硬度試樣，進行布氏硬度檢測，硬度為187 HBW。

分別在錐齒輪輪齒及花鍵部位取樣，進行洛氏硬度檢測，輪齒齒頂表面硬度為57.0 HRC，不符合圖紙技術要求(非磨削表面硬度≥59 HRC)，芯部硬度為46.5 HRC，花鍵處的芯部硬度為46.5 HRC，符合圖紙技術要求(HRC 35～49)。

2.4 顯微組織分析及硬度梯度檢測

2.4.1 顯微組織分析

在垂直于輸入軸擠壓磨損花鍵部位取金相試樣，在金相顯微鏡下觀察，擠壓磨損花鍵齒部位形貌見圖11；經4%硝酸酒精溶液浸蝕后，未磨損花鍵齒表面無脫碳現(xiàn)象，見圖12；擠壓磨損花鍵齒部位組織變形嚴重，見圖13；基體組織為珠光體加沿晶分布的鐵素體，見圖14。

于垂直于錐齒輪相對磨損輕的輪齒處取金相試樣，在金相顯微鏡下觀察，凹面的擠壓磨損處存在裂紋，見圖15；經4%硝酸酒精溶液浸蝕后，輪齒齒頂及磨損較輕的凸面有滲碳，凹面滲碳層已因擠壓而磨損，見圖16；齒頂及凸面節(jié)圓處滲碳層深度分別為0.80 mm和0.50 mm，不符合圖紙技術要求(非磨削表面1.3～1.9 mm)，凸面節(jié)圓處滲碳層組織按照WJ 730-82標準評級，碳化物評為1級，馬氏體加殘余奧氏體評為2級，見圖17；輪齒凹面受擠壓磨損處有組織變形并組織轉變，見圖18、圖19；輪齒芯部組織存在偏析，見圖20；組織為板條馬氏體，見圖21;在垂直于錐齒輪疲勞源處取金相試樣，在金相顯微鏡下觀察，疲勞源處無明顯冶金缺陷，有較多應力裂紋，見圖22。經4%硝酸酒精溶液浸蝕后，疲勞源附近無脫碳現(xiàn)象。

圖11 輸入軸花鍵齒頂(50×)

圖12 輸入軸花鍵齒頂表面(100×)

圖13 輸入軸花鍵齒根組織變形(50×)

圖14 輸入軸基體組織(500×)

圖15 錐齒輪輪齒凹面的裂紋(50×)

圖16 錐齒輪輪齒滲碳情況

圖17 錐齒輪輪齒凸面節(jié)圓組織(400×)

圖18 錐齒輪輪齒凹面節(jié)的組織變形(200×)

圖19 錐齒輪輪齒凹面(30×)

圖20 錐齒輪輪齒附近的芯部組織(100×)

圖21 錐齒輪輪齒附近的芯部組織(500×)

圖22 錐齒輪輪齒疲勞源處(50×)

在垂直于錐齒輪花鍵處取金相試樣，在金相顯微鏡下觀察，花鍵齒頂及齒根一角均有磨圓現(xiàn)象，另一角無磨損，見圖23、圖24；經4%硝酸酒精溶液浸蝕后，花鍵外表面及齒頂部位有滲碳現(xiàn)象(不符合圖紙技術要求)，見圖25；滲碳層深度分別為0.60 mm和0.30 mm，滲碳層組織按照WJ 730-82評級，碳化物均評為1級，馬氏體加殘余奧氏體分別評為2級和1級，見圖26、圖27；芯部組織存在偏析，見圖28；基體組織為板條馬氏體，見圖29。

圖23 錐齒輪花鍵齒頂一角(50×)

圖24 錐齒輪花鍵齒頂另一角(50×)

圖25 錐齒輪花鍵處的滲碳部位

圖26 錐齒輪花鍵外表面組織(400×)

圖27 錐齒輪花鍵齒頂組織(400×)

圖28 錐齒輪花鍵基體組織(100×)

圖29 錐齒輪花鍵基體組織(500×)

2.4.2 硬度梯度檢測

在垂直于錐齒輪輪齒及花鍵部位取樣，對不同部位進行硬度梯度檢測，檢測結果列于表1，硬度梯度曲線及滲碳淬火有效硬化層深度見圖30-33。

表1 硬度梯度檢測結果

圖30 錐齒輪輪齒凸面節(jié)圓處硬度梯度曲線

圖31 錐齒輪輪齒齒頂硬度梯度曲線

圖32 錐齒輪花鍵齒頂硬度梯度曲線

圖33 錐齒輪花鍵外表面硬度梯度曲線

輪齒凸面節(jié)圓處的滲碳淬火有效硬化層深為CHD550 HV0.1=0.35 mm。

輪齒齒頂處的滲碳淬火有效硬化層深為CHD550 HV0.1=0.53 mm。

花鍵齒頂處的滲碳淬火有效硬化層深為CHD550 HV0.1=0.10 mm。

花鍵外表面的滲碳淬火有效硬化層深為CHD550 HV0.1=0.44 mm。

3 綜合分析

輸入軸圖紙要求的材料為低碳合金結構鋼,而實際使用的是中碳低合金結構鋼,兩種鋼材的熱處理工藝性能有很大的區(qū)別。輸入軸錯料，后續(xù)的熱處理工藝仍按圖紙要求的材料工藝執(zhí)行。在相同的工藝參數(shù)下，由于材料本身Ni、Cr、W元素含量較高，導致C曲線右移[1]，處理過程中容易形成目標組織，而40Cr材料中的合金元素很少，C曲線相對靠左，同時先共析線也相對靠左，冷卻過程中接觸先共析線后滯留時間相對較長，導致基體組織不佳，析出較多沿晶分布先共析鐵素體，隨后基體組織發(fā)生共析轉變，形成珠光體加沿晶分布鐵素體的組織[2]。這種組織狀態(tài)的零件硬度較低，而與之相配合的主動錐齒輪基體硬度較高，且錐齒輪花鍵部位有滲碳現(xiàn)象，零件滲碳后淬火使用硬度至少達到45 HRC以上，而與之配合使用的輸入軸的硬度不足20 HRC，兩個零件硬度相差懸殊，在使用過程中，導致硬度低的輸入軸花鍵部位被硬度高的錐齒輪花鍵部位擠壓磨損[3]。

輸入軸花鍵部位被擠壓磨損，兩零件配合尺寸發(fā)生變化，導致輸入主動錐齒輪與輸入軸相對竄動，使其與被動錐齒輪嚙合異常，在嚙合過程中受到一個不規(guī)律的沖擊載荷作用，導致該零件輪齒表面產生麻點剝落及接觸疲勞斷裂，輪齒部位滲碳層深及硬度均不符合圖紙技術要求，也會降低零件耐磨性和疲勞壽命。齒輪表面經常出現(xiàn)接觸疲勞失效，少量麻點剝落不影響零件的正常工作，但隨著時間的延長，麻點尺寸逐漸變大，數(shù)量也不斷增多，齒輪嚙合情況則越差，振動和沖擊隨之越大，最終將輪齒打斷[4]。

4 結論

(1)輸入軸化學成分不符合圖紙材料牌號要求、基體硬度低是導致該零件花鍵部位被主動錐齒輪花鍵部位擠壓磨損的主要原因。(2)輸入軸的花鍵部位被嚴重擠壓磨損是輸入主動錐齒輪崩齒斷裂的主要原因。

[1]王笑天. 金屬材料學[M].北京：機械工業(yè)出版社，1987:24-26.

[2]張萬昌. 熱加工工藝基礎[M].北京：高等教育出版社，1991:225-228.

[3] 胡世炎. 機械失效分析手冊[M].2版.成都：四川科學技術出版社，1999:256-259.

[4]束德林. 金屬力學性能[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，1999:183-191.