吴建华,李平平,梁雪冬,王 群,吴飞虎,刘德华
(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司,常州 213011)
摘 要:采用磁粉检测、金相检验、硬度测试、化学成分分析等方法对地铁列车从动齿轮表面大 量裂纹缺陷的产生原因进行了分析。结果表明:齿轮表面裂纹的性质为接触疲劳裂纹,早期开裂的 原因是磨齿过程中齿面发生了磨削烧伤。
关键词:齿轮;磁痕;接触疲劳裂纹;磨削烧伤
中图分类号:TG156.34;TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)06-0063-03
在对某地铁列车进行架修时,检修人员发现一 件从动轮齿轮表面发生局部剥离现象,接着对全齿 轮表面进行渗透检测,结果发现齿轮表面存在裂纹, 且在检修过程中并不存在齿轮箱缺油的现象。该地 铁列车从动齿轮的材料为20CrNi2Mo钢。
齿轮常见的疲劳失效模式主要包括齿根弯曲疲 劳和齿面接触疲劳,其中齿面接触疲劳是闭式齿轮 的主要失效形式,又表现为疲劳点蚀和剥落[1-3]。另 外,硬齿面处的磨削烧伤也越来越引起生产方和科 研工作者的关注[4-6]。
1 理化检验
1.1 宏观观察
该从动齿轮宏观形貌如图1所示,首先对其进 行形位公差和齿形齿向检查,结果未发现明显异常。 齿面形貌显示几乎所有齿面(两侧)均平行分布着大量裂纹;齿面正常部位的加工纹理呈波纹状,略显 粗糙。
1.2 磁粉检测
对该从动齿轮进行磁粉检测,结果如图2所示, 由图 2 可知,所有齿面 (两侧)均存在平行分布 的 磁痕。
1.3 酸洗检查
为了确保待检齿轮不被酸液腐蚀而影响后续的 检查结果,对齿轮进行半齿轮酸洗,即将齿轮悬吊, 一半浸入酸洗,另一半暴露在空气中,相当于只对半 个齿轮进行酸洗检查。酸洗后的齿轮宏观形貌如 图3所示,由图3可知:所有齿面均有不同程度的烧伤,其中一侧齿面除齿顶修缘处外,其余部位全部烧 伤;另一侧齿面烧伤程度相对较轻,更加集中于齿 根侧。
1.4 化学成分分析
该从动齿轮的化学成分分析结果如表1所示, 齿轮的材料符合技术要求。
1.5 金相检验
为了进一步确认齿面是否存在烧伤特征,并判 定烧伤的严重程度,以及烧伤与裂纹类缺陷之间的 关系,在齿轮的不同区域线切割取样,在光学显微镜 下观察,其微观形貌如图4所示。由图4可知:齿轮 为全齿面烧伤,且烧伤范围非常明显。裂纹类缺陷 均产生于 烧 伤 区,但 烧 伤 程 度 较 轻 且 未 烧 伤 区 无 裂纹。
在从动齿轮上随机切取两个齿块进行金相检 验,结果如图5~7所示,由图5~7可知:齿轮裂纹 均萌生于齿面,裂纹局部呈断续状,当裂纹扩展至一 定深度后,转向与齿面平行扩展,为典型的接触疲劳 裂纹特征;所有裂纹深度均小于1mm,裂纹转向深 度约为0.4~0.7mm,该处恰好为最大切应力处,再次证实裂纹为接触疲劳产生;正常区域节圆表面组 织为针状回火马氏体+少量贝氏体+残余奥氏体, 齿根表面存在深度约为20μm 的非马氏体组织,心 部组织为马氏体+贝氏体;裂纹附近齿面存在深度 小于2μm 的白亮层组织,裂纹两侧未见氧化和脱 碳现象,组织仍为回火马氏体,但回火温度偏高,具 体表现为裂纹附近的耐腐蚀能力较低,马氏体针状 特征不明显和硬度偏低。
1.6 硬度测试
对从动齿轮正常部位的节圆和齿根处,以及烧 伤区进行显微硬度测试,结果如图8所示。由图8 可知:正常部位节圆和齿根处的硬度梯度较为平缓, 表面硬度合格,硬化层深度满足技术要求。烧伤区 的“低硬度区”深度约为0.4~0.7mm,这与裂纹扩 展深度吻合较好;齿轮的表面硬度约为52HRC,远 低于技术要求(≥58HRC)。
2 综合分析
根据上述结果可知,齿面裂纹的性质为接触疲 劳裂纹,这是因为齿面过度回火造成其强度和硬度 下降。现场并未发现齿轮箱缺油,因此可排除齿面 因缺油而造成的干摩擦,这点也可从主动齿轮保存 完好得到证实。在干摩擦情况下,一般接触频率更 高的主动齿轮将优先发生齿面失效。再结合从动齿 轮生产工艺及同批次产品对比排查,最终确认该从 动齿轮失效的根本原因是磨齿工艺不当造成磨削 烧伤。 文献[7]对因磨削造成的齿面硬度下降而引发 的接触疲劳开裂的原因进行了较为深入的研究和探 讨,指出接触疲劳裂纹产生的根源是剪切应力与齿 面强度二者之间的关系,剪切应力与齿轮承载设计、 工况等直接相关,而齿面强度则与表面硬化方式有 关,渗碳、氮化、感应是轨道交通用齿轮最为常见的 3种齿面硬化方式,各有利弊,不管哪种硬化方式均 是根据具体的服役工况而定的。在硬齿面齿轮产品 的制造过程中,往往更多地关注了齿面的硬化工艺, 而对后续的磨削加工等有所忽视,陈国民[8-9]对磨削 导致的齿面硬度变化进行了阐述。 从动齿轮裂纹一旦露头于齿面,润滑油将渗入 裂纹面并在齿轮的啮合作用下形成高压油腔,加快 了裂纹的扩展与剥落的过程[10]。
3 结语与建议
(1)从动齿轮的所有齿面均存在不同程度的 烧伤。
(2)齿面裂纹的性质为接触疲劳裂纹。
(3)开 裂 均 发 生 在 烧 伤 程 度 较 为 严 重 的 齿 面上。
(4)建议严格把控磨齿工艺,制定作业指导书, 及时关注试样的检测结果,有效预防磨削烧伤现象 的发生。
参考文献:
[1] 朱敦伦,朱法义,黄善钧.齿轮接触疲劳破环机理的探 讨[J].哈尔滨工业大学学报,1979(1):143-151. [2] 朱孝录.机械零件失效分析讲座 第3讲 齿轮的失效 分析(一)[J].机械工人(冷加工),1999(3):38-40. [3] 王起梁,叶小芬.高速列车齿轮传动系统主动齿轮接 触疲劳可靠性研究[J].机车车辆工艺,2013(1):1-4. [4] 宋亚虎,孙胜伟,刘铁山,等.磁弹法在线监测渗碳齿 轮的磨 削 烧 伤 [J].理 化 检 验 (物 理 分 册),2015,51 (12):853-857. [5] 宋亚虎,刘铁山,史向阳,等.齿轮磨削烧伤检测技术 现状及发展趋势[J].理化检验(物理分册),2014,50 (10):714-717. [6] 薄鑫涛.磨削 烧 伤 裂 纹 的 产 生 与 防 止 [J].热 处 理, 2019,34(2):21. [7] 李平平,陆菁,林栋.S40C 钢制齿轮表面裂纹产生原 因分析[J].失效分析与预防,2020,15(3):191-195. [8] 陈国民.论我国渗碳齿轮制造中的若干问题(下)[J]. 机械工人(热加工),2007(12):41-48. [9] 陈国民.论我国渗碳齿轮制造中的若干问题(中)[J]. 机械工人(热加工),2007(11):41-47. [10] 李钝,姜海翔,文圣香.齿面接触疲劳点蚀的产生机理 [J].荆楚理工学院学报,2012,27(4):14-17.