摘 要:采用磁粉檢測、金相檢驗、硬度測試、化學成分分析等方法對地鐵列車從動齒輪表面大 量裂紋缺陷的產生原因進行了分析。結果表明:齒輪表面裂紋的性質為接觸疲勞裂紋,早期開裂的 原因是磨齒過程中齒面發生了磨削燒傷。

關鍵詞:齒輪;磁痕;接觸疲勞裂紋;磨削燒傷 

中圖分類號:TG156.34;TG115.5                              文獻標志碼:B                        文章編號:1001-4012(2022)06-0063-03

在對某地鐵列車進行架修時,檢修人員發現一 件從動輪齒輪表面發生局部剝離現象,接著對全齒 輪表面進行滲透檢測,結果發現齒輪表面存在裂紋, 且在檢修過程中并不存在齒輪箱缺油的現象。該地 鐵列車從動齒輪的材料為20CrNi2Mo鋼。 

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,又表現為疲勞點蝕和剝落[1-3]。另 外,硬齒面處的磨削燒傷也越來越引起生產方和科 研工作者的關注[4-6]。

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察 

該從動齒輪宏觀形貌如圖1所示,首先對其進 行形位公差和齒形齒向檢查,結果未發現明顯異常。

齒面形貌顯示幾乎所有齒面(兩側)均平行分布著大 量裂紋;齒面正常部位的加工紋理呈波紋狀,略顯 粗糙。 

1.2 磁粉檢測 

對該從動齒輪進行磁粉檢測,結果如圖2所示, 由圖 2 可知,所有齒面 (兩側)均存在平行分布 的 磁痕。 

1.3 酸洗檢查 

為了確保待檢齒輪不被酸液腐蝕而影響后續的 檢查結果,對齒輪進行半齒輪酸洗,即將齒輪懸吊, 一半浸入酸洗,另一半暴露在空氣中,相當于只對半 個齒輪進行酸洗檢查。酸洗后的齒輪宏觀形貌如 圖3所示,由圖3可知:所有齒面均有不同程度的燒傷,其中一側齒面除齒頂修緣處外,其余部位全部燒 傷;另一側齒面燒傷程度相對較輕,更加集中于齒 根側。

1.4 化學成分分析 

該從動齒輪的化學成分分析結果如表1所示, 齒輪的材料符合技術要求。 

1.5 金相檢驗

為了進一步確認齒面是否存在燒傷特征,并判 定燒傷的嚴重程度,以及燒傷與裂紋類缺陷之間的 關系,在齒輪的不同區域線切割取樣,在光學顯微鏡 下觀察,其微觀形貌如圖4所示。由圖4可知:齒輪 為全齒面燒傷,且燒傷范圍非常明顯。裂紋類缺陷 均產生于 燒 傷 區,但 燒 傷 程 度 較 輕 且 未 燒 傷 區 無 裂紋。 

在從動齒輪上隨機切取兩個齒塊進行金相檢 驗,結果如圖5~7所示,由圖5~7可知:齒輪裂紋 均萌生于齒面,裂紋局部呈斷續狀,當裂紋擴展至一 定深度后,轉向與齒面平行擴展,為典型的接觸疲勞 裂紋特征;所有裂紋深度均小于1mm,裂紋轉向深 度約為0.4~0.7mm,該處恰好為最大切應力處,再次證實裂紋為接觸疲勞產生;正常區域節圓表面組 織為針狀回火馬氏體+少量貝氏體+殘余奧氏體, 齒根表面存在深度約為20μm 的非馬氏體組織,心 部組織為馬氏體+貝氏體;裂紋附近齒面存在深度 小于2μm 的白亮層組織,裂紋兩側未見氧化和脫 碳現象,組織仍為回火馬氏體,但回火溫度偏高,具 體表現為裂紋附近的耐腐蝕能力較低,馬氏體針狀 特征不明顯和硬度偏低。

1.6 硬度測試 

對從動齒輪正常部位的節圓和齒根處,以及燒 傷區進行顯微硬度測試,結果如圖8所示。由圖8 可知:正常部位節圓和齒根處的硬度梯度較為平緩, 表面硬度合格,硬化層深度滿足技術要求。燒傷區 的“低硬度區”深度約為0.4~0.7mm,這與裂紋擴 展深度吻合較好;齒輪的表面硬度約為52HRC,遠 低于技術要求(≥58HRC)。

2 綜合分析 

根據上述結果可知,齒面裂紋的性質為接觸疲 勞裂紋,這是因為齒面過度回火造成其強度和硬度 下降。現場并未發現齒輪箱缺油,因此可排除齒面 因缺油而造成的干摩擦,這點也可從主動齒輪保存 完好得到證實。在干摩擦情況下,一般接觸頻率更 高的主動齒輪將優先發生齒面失效。再結合從動齒 輪生產工藝及同批次產品對比排查,最終確認該從 動齒輪失效的根本原因是磨齒工藝不當造成磨削 燒傷。 

文獻[7]對因磨削造成的齒面硬度下降而引發 的接觸疲勞開裂的原因進行了較為深入的研究和探 討,指出接觸疲勞裂紋產生的根源是剪切應力與齒 面強度二者之間的關系,剪切應力與齒輪承載設計、工況等直接相關,而齒面強度則與表面硬化方式有 關,滲碳、氮化、感應是軌道交通用齒輪最為常見的 3種齒面硬化方式,各有利弊,不管哪種硬化方式均 是根據具體的服役工況而定的。在硬齒面齒輪產品 的制造過程中,往往更多地關注了齒面的硬化工藝, 而對后續的磨削加工等有所忽視,陳國民[8-9]對磨削 導致的齒面硬度變化進行了闡述。 

從動齒輪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 了裂紋的擴展與剝落的過程[10]。

3 結語與建議

(1)從動齒輪的所有齒面均存在不同程度的 燒傷。 

(2)齒面裂紋的性質為接觸疲勞裂紋。 

(3)開 裂 均 發 生 在 燒 傷 程 度 較 為 嚴 重 的 齒 面上。 

(4)建議嚴格把控磨齒工藝,制定作業指導書, 及時關注試樣的檢測結果,有效預防磨削燒傷現象 的發生。 

參考文獻: 

[1] 朱敦倫,朱法義,黃善鈞.齒輪接觸疲勞破環機理的探 討[J].哈爾濱工業大學學報,1979(1):143-151. 

[2] 朱孝錄.機械零件失效分析講座 第3講 齒輪的失效 分析(一)[J].機械工人(冷加工),1999(3):38-40. 

[3] 王起梁,葉小芬.高速列車齒輪傳動系統主動齒輪接 觸疲勞可靠性研究[J].機車車輛工藝,2013(1):1-4. 

[4] 宋亞虎,孫勝偉,劉鐵山,等.磁彈法在線監測滲碳齒 輪的磨 削 燒 傷 [J].理 化 檢 驗 (物 理 分 冊),2015,51 (12):853-857. 

[5] 宋亞虎,劉鐵山,史向陽,等.齒輪磨削燒傷檢測技術 現狀及發展趨勢[J].理化檢驗(物理分冊),2014,50 (10):714-717.

 [6] 薄鑫濤.磨削 燒 傷 裂 紋 的 產 生 與 防 止 [J].熱 處 理, 2019,34(2):21. 

[7] 李平平,陸菁,林棟.S40C 鋼制齒輪表面裂紋產生原 因分析[J].失效分析與預防,2020,15(3):191-195. 

[8] 陳國民.論我國滲碳齒輪制造中的若干問題(下)[J]. 機械工人(熱加工),2007(12):41-48. 

[9] 陳國民.論我國滲碳齒輪制造中的若干問題(中)[J]. 機械工人(熱加工),2007(11):41-47. 

[10] 李鈍,姜海翔,文圣香.齒面接觸疲勞點蝕的產生機理 [J].荊楚理工學院學報,2012,27(4):14-17. 

<文章來源> 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 6期 (pp:63-65)>