某型重載齒輪齒面剝落失效的分析

張喜民

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

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某型重載齒輪齒面剝落失效的分析

張喜民

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

采用化學(xué)成分分析、顯微維氏硬度測試、金相顯微鏡分析及酸洗檢測等方法對某型重載齒輪齒面剝落進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：磨削過熱導(dǎo)致的磨削燒傷是該重載齒輪剝落失效的直接原因；磨削量、砂輪、冷卻液、熱處理因素等是產(chǎn)生磨削燒傷的重要因素；磨削燒傷的檢測應(yīng)當(dāng)作為更加重要的一個控制環(huán)節(jié)，對于重要場合的齒輪，應(yīng)當(dāng)提高磨削燒傷的檢查頻次。

重載齒輪；磨削燒傷；剝落；失效

重載齒輪是機(jī)車車輛中不可或缺的關(guān)鍵零部件，其制造要求非常高，需要有極佳的耐磨性，同時能承受很大的載荷。從原材料到成品齒輪，有幾十道加工工序，磨齒是其中的關(guān)鍵工序，如果磨削不當(dāng)，就會在齒面產(chǎn)生磨削裂紋或者磨削燒傷。磨削裂紋和磨削燒傷是兩個不同的概念，磨削裂紋可以通過肉眼或者磁粉探傷進(jìn)行檢測，磨削燒傷后的主要表現(xiàn)就是發(fā)生回火效應(yīng)，可用酸洗法進(jìn)行目視檢測。在對某型重載齒輪齒面剝落進(jìn)行失效分析后，找到了該齒輪齒面剝落的直接原因就是磨削燒傷，同時也總結(jié)了影響磨削燒傷的因素，提出了質(zhì)量控制的建議。

1 檢測方法

首先對失效齒輪進(jìn)行宏觀形貌分析，對齒輪剝落部位進(jìn)行線切割取樣，經(jīng)打磨、拋光等金相制樣后，用顯微硬度計(jì)對試樣滲層進(jìn)行顯微硬度梯度檢測，在金相顯微鏡上檢查試樣金相組織、非金屬夾雜物等；在齒輪芯部取樣，在電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀上進(jìn)行化學(xué)成分分析；對失效齒輪進(jìn)行酸洗，觀測齒面顏色變化，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17879—1999《齒輪磨削后表面回火的浸蝕檢驗(yàn)》鑒定齒輪齒面是否發(fā)生磨削燒傷。

2 試樣檢測

2.1 宏觀形貌檢查

從失效齒輪的宏觀形貌看，輪齒節(jié)圓靠近齒根處出現(xiàn)整體剝落，未剝落的齒面呈現(xiàn)光亮金屬色，齒面有壓痕，這主要是嚙合過程中磨損造成的。從齒面剝落處來看，未觀測到點(diǎn)蝕現(xiàn)象，判定齒輪不是由于發(fā)生點(diǎn)蝕后擴(kuò)展并剝落的。

2.2 齒輪酸洗試驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17879—1999《齒輪磨削后表面回火的浸蝕檢驗(yàn)》(等同于ISO 14104)進(jìn)行了酸洗試驗(yàn)(見圖1、圖2)，剝落處位于節(jié)圓處，為承載力最大處，在用硝酸酒精溶液酸洗后，發(fā)現(xiàn)部分輪齒的齒面顯示出磨削燒傷的“灰褐色”特征(見圖1)，按照標(biāo)準(zhǔn)評判為B級輕度回火燒傷；而剝落處齒面的燒傷更嚴(yán)重，白色區(qū)域外圍是黑色，按照標(biāo)準(zhǔn)評判為E級重度回火燒傷(嚴(yán)重過熱級別)。

圖1 酸洗后的輪齒外觀

圖2 酸洗后輪齒剝落處外觀

2.3 齒輪幾何精度檢查

對齒輪未剝落區(qū)域進(jìn)行齒形齒向的分析，經(jīng)檢測，齒形齒向精度符合圖紙要求，排除因齒形齒向不合格導(dǎo)致齒面剝落的可能。

2.4 金相分析

圖4 未剝落區(qū)域的金相組織(×400)

檢測失效齒輪的原材料非金屬夾雜物，級別為A1、D1,表明材料潔凈度較好。對剝落輪齒進(jìn)行低倍組織檢查，發(fā)現(xiàn)剝落處邊緣有一處深黑色區(qū)域，具有磨削燒傷特征,如圖3所示。按照J(rèn)B/T 6141.3—1992《重載齒輪 滲碳金相檢驗(yàn)》對失效重載齒輪滲碳金相組織進(jìn)行檢查(見圖4)，未剝落區(qū)金相組織的評級結(jié)果為：馬氏體級別、碳化物級別、殘余奧氏體級別均為1級，脫碳級別無。顯示該齒輪的滲碳淬火金相組織較好，殘余奧氏體及碳化物都較少。2.5 顯微硬度測量

對輪齒非剝落區(qū)域和剝落區(qū)域進(jìn)行了顯微維氏硬度檢測，結(jié)果如圖5、圖6所示，從圖中可以看出，剝落區(qū)和非剝落區(qū)的有效硬化層深都在1.75 mm左右，表面硬度都在700 HV以上，符合技術(shù)要求。不同的是，非剝落區(qū)的硬度梯度是緩降的，而剝落區(qū)的硬度值隨有效硬化層深的增加，先驟降后緩升，后面將分析原因。

圖5 在非剝落區(qū)域維氏硬度梯度曲線

圖6 剝落區(qū)域維氏硬度梯度曲線

2.6 光譜分析

對輪齒芯部未滲碳區(qū)域進(jìn)行了光譜分析，結(jié)果如下：w(C)=0.18%,w(Si)=0.25%，w(Mn)=0.68%，w(P)=0.0041%，w(S)=0.0005%，w(Cr)=1.63%，w(Ni)=1.65%，w(Mo)=0.27%，符合EN 10084標(biāo)準(zhǔn)中18CrNiMo7-6材料各元素含量標(biāo)準(zhǔn)，為18CrNiMo7-6材料。

3 結(jié)果分析與討論

由上述的檢測結(jié)果可知，失效齒輪的成分在合格范圍之內(nèi)；未剝落區(qū)域的外形尺寸、金相組織、有效硬化層深等都符合技術(shù)要求。從剝落情況以及酸洗后齒輪輪齒表面出現(xiàn)的灰褐色以及局部出現(xiàn)的白色來看，發(fā)生磨削燒傷是齒輪剝落失效的根本原因，這從剝落區(qū)域的顯微硬度梯度曲線中可以再次得到驗(yàn)證。

這是由于在磨削過程中產(chǎn)生了大量的磨削熱，使得表層發(fā)生了淬火效應(yīng)，在表層產(chǎn)生了淬火馬氏體組織，硬度高達(dá)780 HV，而次表層的硬度被磨削熱所回火，產(chǎn)生了回火索氏體或回火屈氏體，硬度顯著降低，所以在酸洗之后出現(xiàn)白色組織，這是GB/T 17879—1999 《齒輪磨削后表面回火的浸蝕檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)中的磨削燒傷最高級別——E級別(嚴(yán)重過熱級別)，所以剝落區(qū)的硬度隨有效硬化層深的增加，先驟降再緩升。

齒輪磨削是齒輪生產(chǎn)制造中的關(guān)鍵工序，直接影響到齒輪的使用壽命。在磨削過程中，除了齒形、齒向、粗糙度為關(guān)鍵控制點(diǎn)外，磨削裂紋和磨削燒傷是另外2個十分重要的控制點(diǎn)，其中尤以磨削燒傷最難控制，也最不容易檢測。磨削燒傷后主要的表現(xiàn)就是發(fā)生回火效應(yīng)，嚴(yán)重的會在表層發(fā)生淬火效應(yīng)，次表層發(fā)生回火效應(yīng)。在表層，由于磨削后不再進(jìn)行回火熱處理，在發(fā)生嚴(yán)重磨削燒傷時，可以看到白色的金相組織(即淬火馬氏體)。在一般的齒輪質(zhì)量控制計(jì)劃中往往僅僅檢測磨削裂紋，實(shí)際上，磨削燒傷的產(chǎn)生是一個重大的質(zhì)量隱患，由于淬火馬氏體是不穩(wěn)定組織，脆性很大，在使用過程中極易剝落，再加上次表層被回火，使得硬度劇烈下降，從而造成接觸疲勞壽命下降。齒輪在使用過程中，在表層剝落之后，次表層由于硬度下降導(dǎo)致耐磨性下降，同時由于接觸面積下降，導(dǎo)致單位面積載荷增大，加速了齒面的剝落，同時又增大了非燒傷區(qū)域的載荷，造成齒輪的最終失效。

產(chǎn)生磨削燒傷的因素主要有磨削因素和熱處理因素等。

(1)磨削因素主要是指磨削量。當(dāng)一次磨削量較大時，由于砂輪和齒面的接觸面積較小，磨削時在磨削處會產(chǎn)生大量的磨削熱，進(jìn)而導(dǎo)致磨削燒傷。在日本，由于磨削量大所產(chǎn)生的磨削燒傷叫做“重磨削”燒傷，較為形象地描述了由于磨削量過大造成的齒面燒傷，給出的解決方法為“輕磨削”，即減小磨削量。在滿足質(zhì)量要求的前提下，應(yīng)當(dāng)摸索并優(yōu)化磨削量，達(dá)到質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的最佳平衡。

(2)砂輪因素和冷卻液因素。①由于滲碳淬火齒輪的齒面硬度高，砂粒易磨鈍，磨鈍了的磨粒不能及時脫落(自銳性差)[1]，導(dǎo)致冷卻液無法進(jìn)入，磨削熱無法得到有效傳遞而導(dǎo)致齒面發(fā)生磨削燒傷，所以應(yīng)選擇砂粒軟些的砂輪，在磨削時以便磨鈍的砂粒能夠及時脫落；②注意砂輪要及時進(jìn)行修整，調(diào)整砂輪傳動帶松緊至合適，使其工作時保持在平衡狀態(tài)；③在保證磨后粗糙度合格的前提下，宜選擇砂粒較粗的砂輪，通常砂粒越粗，磨削時越不容易產(chǎn)生磨削燒傷；④磨削時要用冷卻液充分冷卻磨削面，冷卻液流量一般為40～45 L/min，冷卻液噴射壓力一般為0.8～1.2 N/mm2，可以將磨削時在砂輪上黏附的切屑沖掉[2]；同時應(yīng)經(jīng)常過濾冷卻液，清除冷卻液里面的切屑和臟物。

(3)熱處理的影響。①殘余奧氏體的影響：殘余奧氏體非常不穩(wěn)定，砂輪磨削時會在接觸面產(chǎn)生大量的磨削熱和壓力，在此條件下，殘余奧氏體可能會轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體[3]，同時可能伴隨出現(xiàn)表面回火和磨削燒傷，所以熱處理后殘余奧氏體的含量不應(yīng)超過30%；②回火的影響：在保證硬度合格的前提下，可適當(dāng)提高回火溫度，延長回火保溫時間，因?yàn)槌浞只鼗鹉軜O大地消除熱處理產(chǎn)生的應(yīng)力，同時可以降低殘余奧氏體含量；③熱處理變形因素：熱處理變形后，磨齒前需要按照齒圈外圓精確找正，以使齒面余量分布均勻[4]，若熱處理變形過大，并且磨齒時不是在變形最大處開始磨削，則從漲量小處磨削到漲量大處時會使磨削量增大，磨削量的增大將導(dǎo)致加工應(yīng)力急劇增加，同時使齒面溫度急劇升高，往往會造成磨削燒傷。

4 磨削燒傷的檢查和質(zhì)量控制

對于磨削燒傷的檢查，主要的方法有：(1)可以采用硝酸腐蝕法檢查燒傷，其原理是根據(jù)不同的回火燒傷程度，齒面顯示不同的顏色，具體的檢驗(yàn)可以參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17879—1999《齒輪磨削后表面回火的浸蝕檢驗(yàn)》，這在美國是比較流行的方法；(2)Barkhansen法，一般叫做BN磁彈法。出現(xiàn)磨削燒傷的工件主要由鐵磁性材料制成，在未發(fā)生磨削燒傷時，其磁序呈現(xiàn)有規(guī)則的排列。發(fā)生磨削燒傷后，其金相組織將發(fā)生改變，同時會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，這些會引起工件磁疇結(jié)構(gòu)內(nèi)的磁序變化[5]。芬蘭生產(chǎn)的Rollscan250磁彈儀就是通過檢測被檢測區(qū)的磁序變化來識別磨削燒傷的?？紤]到成本等因素，這種檢測在國內(nèi)應(yīng)用的還不是很多，在歐洲運(yùn)用比較廣泛。

針對磨削燒傷，實(shí)行行之有效的質(zhì)量控制程序是很有必要的，由于磨削燒傷的檢查工作量較大，在實(shí)際生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制中，當(dāng)工藝、設(shè)備、砂輪發(fā)生變化或者出現(xiàn)了可能導(dǎo)致磨削燒傷的熱處理質(zhì)量問題時，可以采用首件檢查的方法；對于重要場合使用的齒輪，則應(yīng)該全面酸洗檢查或者用磁彈儀檢測(100%頻次)，以減少磨削燒傷的產(chǎn)生和帶來的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論和建議

(1)從失效齒輪的檢測分析中可以看出，磨削過熱造成的磨削燒傷是導(dǎo)致齒輪齒面剝落失效的直接原因。

(2)磨削燒傷對齒輪的使用壽命影響重大，磨削量、砂輪、冷卻液、熱處理因素等是控制磨削燒傷的重要因素。

(3)在質(zhì)量控制過程中，磨削燒傷的檢測應(yīng)當(dāng)作為更加重要的一個控制環(huán)節(jié)，對于應(yīng)用于重要場合的齒輪，應(yīng)當(dāng)提高磨削燒傷的檢查頻次。

[1] 丁志超,曹碩生.砂輪修整對磨削燒傷影響的研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,1982(2)：52-63.

[2] 呂紅明,王 琪.汽車滲碳淬火齒輪磨削燒傷的研究[J].機(jī)械傳動,2009,33(3):108-110.

[3] 吳為揚(yáng).軸承套圈磨削燒傷和磨削裂紋的探索[J].就業(yè)與保障,2007(3)：43-44.

[4] 于永江.硬齒面齒輪、齒軸磨削燒傷裂紋產(chǎn)生的原因及解決辦法[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2016(3)：50-51.

[5] 宋亞虎，劉鐵山，史向陽，等.齒輪磨削燒傷檢測技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊),2014,50(10)：715-717.□

(編輯：林素珍)

2095-5251(2016)06-0033-03

2016-03-03

張喜民(1983-)，男，碩士研究生學(xué)歷，工程師，從事技術(shù)及管理工作。

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