工程機械變速箱齒輪斷齒失效分析

天同宏基集團股份有限公司 （山東 261200） 羅長平

濰柴動力股份有限公司 （山東 261069） 羅長增

某型號工程機械在使用過程中發(fā)生故障，拆解齒輪箱后發(fā)現(xiàn)有一傳動齒輪斷齒，其他零件未見異常。查閱相關(guān)技術(shù)文件后得知，此齒輪箱使用年限較短（1年左右），隨后進行失效分析，確定問題根源所在，以進行有效改善。

1. 試驗分析

（1）宏觀形貌觀察 傳動齒輪斷齒后的照片如圖1所示，斷口無銹蝕，從齒根處斷裂。

圖1 斷齒齒輪照片

（2）低倍試驗分析 對斷齒化學(xué)成分進行檢測，其成分含量符合20CrNi2Mo的元素含量要求。斷齒熱酸浸試驗，結(jié)果如表1所示，試驗結(jié)果表明，鍛件雖然合格，但致密度、均勻性較差。

表1 熱酸浸試驗結(jié)果

低倍新開斷口試驗表明，斷口為結(jié)晶狀+少量層狀，而通常層狀斷口與夾雜物有關(guān)。

（3）微觀組織結(jié)構(gòu)分析 非金屬夾雜物按GB/T 10561－2005評定，結(jié)果如表2所示，A類夾雜物>3級，C類3.0級位于上限，表明純凈度差，不合格。

表2 非金屬夾雜物評定結(jié)果 （級）

組織、晶粒度分析結(jié)果如表3所示，齒輪組織為低碳馬氏體+貝氏體+鐵素體，屬淬火冷卻不足組織，晶粒度3.5～4.0級不合格。組織狀態(tài)不正常，有鐵素體出現(xiàn)表明，淬火冷卻速度偏低。

表3 組織、晶粒度分析結(jié)果

齒輪斷齒部位，在拋光狀態(tài)下可見單側(cè)節(jié)圓附近有大量沿晶裂紋，寬窄不一，另一側(cè)無裂紋。

齒輪金相組織等檢測結(jié)果如表4所示，馬氏體及殘留奧氏體組織為不合格，齒輪滲碳淬火溫度偏高，心部硬度偏低。齒輪部位馬氏體及殘留奧氏體組織超級，屬不合格，表明淬火溫度偏高。齒表面硬度52～56HRC，硬度偏低，滲碳淬火質(zhì)量欠佳。

表4 齒輪金相組織檢測

圖2 金相組織照片

2. 討論與分析

（1）齒輪化學(xué)成分符合20CrNi2Mo材質(zhì)要求，微觀非金屬夾雜物檢測不合格，鍛件純凈度、致密度、均勻性差，說明宏觀低倍層狀斷口與夾雜物有關(guān)。

（2）齒輪組織為低碳馬氏體+貝氏體+鐵素體，晶粒度3.5～4.0級不合格；齒輪部位馬氏體及殘留奧氏體組織超級，齒輪表面硬度低，心部存在較多的游離鐵素體。輪齒的塑性變形總是齒輪接觸區(qū)域承載的應(yīng)力超過金屬屈服強度的結(jié)果，最終導(dǎo)致齒輪在過應(yīng)力下產(chǎn)生波紋狀塑性變形及輕度毛刺形飛邊。波紋狀變形產(chǎn)生在表面硬化的齒輪上，不一定立即失效，而是代表過載的跡象，作為將要失效的警告，應(yīng)當及早發(fā)現(xiàn)。

（3）齒輪斷齒的裂紋源萌生于齒根部位，屬于高應(yīng)力載荷脆裂，開裂原因系鍛件純凈度差、組織不良，導(dǎo)致材料力學(xué)性能指標不足，一旦超過材料強度極限，裂紋即萌生、擴展，最終導(dǎo)致斷齒。

綜合分析認為，輪齒一次性過載折斷失效的主要原因是齒輪材料滲碳淬火質(zhì)量欠佳和過應(yīng)力兩者共同作用產(chǎn)生的。過應(yīng)力來源為單純的沖擊載荷或很少有的高水平載荷?？赡艿脑蛴校菏褂眠^程中突然的沖擊過載；較大外來物質(zhì)進入配對的齒輪軸之間；齒輪加工產(chǎn)生的周節(jié)累積誤差以及外輪廓齒形偏差，導(dǎo)致嚙合時產(chǎn)生沖擊或異常振動等。

3. 改進措施與建議

（1）加強鑄造和鍛造工序的質(zhì)量控制，降低非金屬夾雜物含量。

（2）根據(jù)工件材料以及外形尺寸選擇合理的熱處理工藝，確保滲碳淬火組織滿足技術(shù)要求，采取措施減少滲碳淬火過程中的變形，減小由于變形引起的后期齒輪加工過程中的偏磨等現(xiàn)象引起的齒輪表面硬度降低。

（3）對齒輪變速箱進行定期保養(yǎng)與維護，延長使用壽命。