S40C 鋼制齒輪表面裂紋產(chǎn)生原因分析

李平平 ， 陸 菁 ， 林 棟

（1.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213011；2.中科信工程咨詢（北京）有限責(zé)任公司，北京 100037；3.93128 部隊，北京 100843）

0 引言

隨著我國高速、重載、高寒等車型的相繼問世，尤其中國標(biāo)準(zhǔn)動車組的成功上線，時速從300 km/h提高到350 km/h，服役年限從20 a 延長到30 a，對傳動系統(tǒng)的平穩(wěn)性、可靠性及長壽命的要求越來越明顯，對作為傳動系統(tǒng)核心部件的齒輪重視程度越來越高；因此，有必要對高速齒輪的服役壽命進(jìn)行深入的研究與探討。

齒輪受力模式主要表現(xiàn)為圖1 中的2 種形式[1]：1）齒根彎曲：每個輪齒都可以簡化成一個小的懸臂梁，當(dāng)齒輪在嚙合傳動時，由于受到力的作用，齒根部位彎矩最大[2-4]。2）齒面嚙合：輪齒在嚙合傳動過程中，嚙合點沿齒廓不斷改變，輪齒受到的作用力大小及角度也不斷變化，接觸面次表層受周期性赫茲應(yīng)力作用；因此，齒輪常見的疲勞失效模式主要包括齒根彎曲疲勞和齒面接觸疲勞，其中，齒面接觸疲勞是閉式齒輪的主要失效形式，又表現(xiàn)為疲勞點蝕和剝落[5-7]。

齒輪的種類很多，可以按不同方法進(jìn)行分類。目前，我國高鐵齒輪采用漸開線斜齒圓柱齒輪，傳動平穩(wěn)性好，材質(zhì)選用滲碳齒輪鋼（18CrNiMo7-6、17CrNiMo6、20CrMnMo、20CrNi2Mo 等），最終熱處理工藝為滲碳-淬火-低溫回火，這樣齒輪就具有硬的表層（針狀馬氏體+少量殘余奧氏體+彌散顆粒狀碳化物）和韌的心部（板條馬氏體）[8-9]。經(jīng)過對比可以發(fā)現(xiàn)，我國引進(jìn)的日本高鐵（從動）齒輪采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼S40C 表面感應(yīng)淬火處理，且長期應(yīng)用效果良好，這一點值得我國齒輪工作者借鑒和學(xué)習(xí)。

圖1 齒根彎曲和齒面嚙合Fig.1 Tooth root bending and tooth surface engagement

本研究針對S40C 鋼制齒輪表面裂紋缺陷進(jìn)行原因分析，其分析結(jié)論對其他類型的表面硬化處理的齒輪研究具有借鑒作用。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 化學(xué)成分分析

齒輪化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，滿足技術(shù)要求。

表1 齒輪化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Chemical composition analysis results of gear (mass fraction /%)

1.2 宏微觀形貌檢查

齒輪磁粉檢測顯示形貌如圖2 所示，裂紋位置位于節(jié)圓附近（圖2 虛線箭頭），整體呈封閉形貌，且與齒面磨加工方向呈小角度（＜15°）交叉，用手觸摸有毛刺感。就齒面裂紋而言，根據(jù)T 形法則可判斷圖2 中虛線箭頭所指裂紋優(yōu)先形成，后續(xù)分別向齒頂和齒根方向擴(kuò)展形成二次裂紋，這與齒輪在服役過程中雙向運行有關(guān)。

圖2 缺陷處磁粉探傷形貌Fig.2 Magnetic particle inspection appearance of defects

微觀形貌檢查發(fā)現(xiàn)，裂紋周邊磨齒痕跡清晰可見，沿嚙合方向存在輕微磨損跡象，此為開裂后因邊緣上翹引發(fā)的局部磨損，裂紋腔內(nèi)未見異物填充，兩側(cè)耦合性良好（圖3）。

綜上，根據(jù)裂紋產(chǎn)生位置和宏微觀形貌推測齒面裂紋具有接觸疲勞引發(fā)的“剝落”早期特征。研究表明：剝落的主裂紋通常都發(fā)生在與齒面近乎平行的次表層，隨著裂紋擴(kuò)展向上延伸至齒面，其上部的金屬就會脫落形成蝕坑，本研究中的齒輪顯然裂紋已裂至表面，未脫落[6]。

1.3 金相分析

沿圖2 中紅色虛線位置線切割取樣進(jìn)行金相分析，可得出以下結(jié)論：

圖3 裂紋表面微觀形貌Fig.3 Micro morphology of crack surface

圖4 金相試樣低倍形貌Fig.4 Macrostructure of metallographic sample

1）根據(jù)接觸疲勞裂紋擴(kuò)展特征可推測出裂源位于圖4a 中紅色圓圈處，該處距離齒面約0.4 mm，裂紋萌生后沿紅色虛線箭頭方向擴(kuò)展。值得提出的是，根據(jù)理論計算，齒輪最大赫茲應(yīng)力恰好位于齒面下0.3～0.4 mm 位置。2）采用4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）硝酸乙醇對圖4a 中檢測面進(jìn)行浸蝕，發(fā)現(xiàn)距離齒面約0.5 mm 范圍顏色發(fā)黑，較次表層更易浸蝕變色（圖4b），推測齒面可能存在“高溫回火”現(xiàn)象。3）顯微硬度測試結(jié)果見圖5，距離表面50 μm 處硬度約HV1420，較正常區(qū)域低約HV1150，“低硬度區(qū)”總深度達(dá)0.5 mm，這與圖4a 中主裂紋擴(kuò)展深度、圖4b 中腐蝕形貌均吻合。4）各部位顯微組織見圖6，各組織及其硬度見表2，證實缺陷處齒面確實存在回火現(xiàn)象，正常齒面組織根據(jù)JB/T 2008《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗》評定為4 級。

圖5 金相試樣顯微硬度測試結(jié)果Fig.5 Microhardness test results of metallographic sample

此外，對缺陷齒面進(jìn)行酸浸腐蝕檢查，圖7 可見紅色虛線區(qū)域顏色發(fā)黑，回火變色明顯，且該區(qū)域面積較大，幾乎占整個齒面工作區(qū)域。

綜上所述，開裂輪齒表面存在深約0.5 mm 的回火層，接觸疲勞裂紋萌生于距離齒面0.4 mm處，萌生位置恰好位于回火燒傷層的過渡區(qū)域，同時也是最大赫茲應(yīng)力處。

圖6 金相組織形貌Fig.6 Metallographic structure

表2 金相組織與顯微硬度Table 2 Metallurgical structure and microhardness

圖7 齒面酸浸腐蝕形貌Fig.7 Corrosion morphology of gear surface

2 分析與討論

根據(jù)上述檢查結(jié)果可知，齒面開裂由低硬度區(qū)引發(fā)的接觸疲勞所致，以下就齒面硬度低的原因和接觸疲勞剝落2 個方面進(jìn)行較為深入的探討。

通常，低硬度區(qū)的形成可能與淬火不足或高溫回火2 個因素有關(guān)，就齒輪感應(yīng)淬火工藝而言，多采用單齒感應(yīng)淬火，不能排除個別輪齒因冷卻系統(tǒng)異常造成的淬火不足。然而，此類淬火異常一般具有以下4 個方面的特征：

1）淬火時因感應(yīng)器從輪齒一端向另一端移動，冷卻異常往往會造成相對的2 個齒面同時出現(xiàn)問題。

2）碳鋼材質(zhì)淬火不足形成的組織應(yīng)為珠光體或珠光體+鐵素體，且該組織在低溫回火時形態(tài)不會發(fā)生明顯變化，并非本研究中的回火屈氏體形態(tài)。

3）由淬火不足造成的顯微硬度梯度較為平緩，不可能出現(xiàn)顯著的“抬頭”現(xiàn)象。

4）淬火不足區(qū)域的齒面和齒底均可能出現(xiàn)低硬度現(xiàn)象，本研究中開裂輪齒的齒底組織和硬度均符合技術(shù)規(guī)范。

因此，低硬度區(qū)形成原因首先排除淬火不足的因素。另外，就高溫回火而言，縱觀齒輪的整個壽命過程，造成熱量集中的主要因素有使用中的潤滑不良和制造中的磨齒燒傷。假設(shè)齒輪潤滑不良，那么嚙合齒面之間發(fā)生干摩擦也會出現(xiàn)4 個方面的特征：

1）齒面呈回火色，而非本研究中開裂齒面的銀亮色金屬光澤，這是因為回火屈氏體為中溫回火產(chǎn)物，溫度約300～400 ℃，齒面必將出現(xiàn)淡藍(lán)色等回火跡象。

2）齒面出現(xiàn)不同程度的膠合，即便是輕微膠合，靠近齒頂或齒根的齒面上沿滑動方向也會有極輕微而細(xì)密的傷痕（暗帶），若為中等或嚴(yán)重膠合，齒面將出現(xiàn)明顯的粘撕損傷，研究中齒面磨削加工刀痕清晰可見，未見異常損傷。

3）潤滑不良多為系統(tǒng)故障，不會僅出現(xiàn)于單個齒面。

4）退一步講，潤滑不良造成的油溫上升將觸發(fā)油溫報警裝置。

因此，潤滑不良的因素亦可排除。最后，就磨齒燒傷而言，由于刀頭變鈍、進(jìn)刀量大、磨削過程冷卻異常等系統(tǒng)因素均可造成單齒齒面由于熱量集中而引發(fā)較高溫度的回火[10-11]，同時，由于齒根不參與磨削而保持正常，且磨加工的齒面最終形態(tài)將保持銀亮色的金屬光澤。綜上，本研究中低硬度區(qū)的形成與磨齒燒傷有關(guān)。

另一方面，結(jié)合圖8 對齒面接觸疲勞剝落的原因、影響因素、剝落類型進(jìn)行闡述。硬度與強(qiáng)度呈正比關(guān)系，因此，可通過測試齒輪的硬度梯度獲得其強(qiáng)度（應(yīng)力）曲線，通過線路運行情況計算出齒輪的（赫茲應(yīng)力）剪切應(yīng)力曲線，而接觸疲勞裂紋的萌生則與這二者直接相關(guān)，當(dāng)剪切應(yīng)力大于某處強(qiáng)度值時，便萌生疲勞裂紋[12]。如圖8 所示，假設(shè)工況穩(wěn)定，即剪切應(yīng)力曲線較為恒定的前提下，二者之間的關(guān)系可表現(xiàn)為以下幾種情況：

圖8 剪切應(yīng)力與強(qiáng)度分布示意圖Fig.8 Shear stress and strength distribution diagram

1）正常情況下，齒輪強(qiáng)度曲線為黑色實線，剪切應(yīng)力為紅色實線，由齒面至心部，齒輪的強(qiáng)度曲線始終位于剪切應(yīng)力曲線上方，齒輪不發(fā)生接觸疲勞。

2）設(shè)計不合理或者熱處理異常造成有效硬化層深度偏淺時，強(qiáng)度曲線為綠色實線，剪切應(yīng)力曲線在滲層過渡區(qū)之后將位于強(qiáng)度曲線之上，齒輪發(fā)生深層剝落，這種剝落一般發(fā)生在滲層與基體過渡區(qū)，造成整個滲層脫落。

3）當(dāng)滲層表面由于某些原因?qū)е掠捕认陆禃r，強(qiáng)度曲線為黑色虛線，剪切應(yīng)力的曲線峰值將位于強(qiáng)度曲線之上，在最大剪切應(yīng)力附近的位置將萌生疲勞裂紋，裂紋萌生后在剪切應(yīng)力作用下幾乎沿平行于齒面的方向擴(kuò)展，最后上翹聯(lián)通表面至剝落，這種剝落發(fā)生在最大剪切應(yīng)力附近，一般為淺層剝落。本研究所述齒輪開裂即屬于此類。此外，裂紋一旦露頭于齒面，潤滑油將滲入裂紋面并在齒輪的嚙合作用下形成高壓油腔，加快裂紋的擴(kuò)展與剝落的過程[13]。

4）需要說明的是，節(jié)圓附近嚙合齒輪為純滾動或以滾動為主，最大剪切應(yīng)力位于次表層，而對于具有一定滑動比率的零件，剪切應(yīng)力曲線將變?yōu)榧t色虛線，表面剪切應(yīng)力值顯著提高，同時由于滑擦使得金屬表面易發(fā)生塑性變形損傷，這時接觸疲勞裂紋傾向于從表面萌生，然后再以一定角度向內(nèi)擴(kuò)展。

3 結(jié)論

1）失效齒輪的斷裂性質(zhì)為接觸疲勞引發(fā)的淺層開裂。

2）裂紋萌生于齒面次表層約0.4 mm 處，該處恰好為最大剪切應(yīng)力位置。

3）磨齒燒傷造成齒面硬度（強(qiáng)度）下降，致使次表層剪切應(yīng)力大于強(qiáng)度值，是造成齒輪發(fā)生早期接觸疲勞開裂的根本原因。