摘 要:某產線變速箱齒輪發生斷裂。采用宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡和能譜分析、金 相檢驗以及硬度測試等方法,分析了齒輪斷裂的原因。結果表明:齒輪化學成分不符合產品設計標 準 GB/T699—2015的要求,且斷裂輪齒組織為粗大的魏氏體,并存在大量以氧化鋁為主的非金屬 夾雜物,導致齒輪的韌性和耐磨性大幅降低。在服役過程中,齒輪在傳遞動力時長期受彎曲疲勞應 力以及異常組織和夾雜物的影響,最終發生斷裂。 

關鍵詞:齒輪;斷裂;魏氏體;非金屬夾雜物 

中圖分類號:TG115.2                                         文獻標志碼:B                                      文章編號:1001-4012(2022)07-0062-03

在機械設備運行過程中,齒輪往往起著重要的 作用,齒輪一旦失效則會造成重大事故。齒輪失效 最常見的一種形式是輪齒斷裂,是機械工程領域最 為嚴重的事故[1],同時也是變速箱零部件中發生失 效概率較高的類型之一[2]。某齒輪作為產線變速箱 的核心零件之一,在運行過程中發生故障,經停機拆 解后,發現該齒輪的輪齒頂部嚴重磨損并出現斷裂, 同時輪齒頂部呈現出疑似缺陷剝落現象,為進一步 查找、分析其斷裂故障原因,筆者對斷裂齒輪進行了 一系列理化檢驗。齒輪設計材料為45Mn鋼,其原 材料執行標準為 GB/T699—2015 《優質碳素結構 鋼》,齒輪成品經過調質、滲碳及淬火處理。

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察

 斷裂齒輪的宏觀形貌如圖1所示,由圖1可知: 輪齒頂部呈現肉眼可見的疑似缺陷剝落現象,同時 在斷裂位置未見明顯塑性變形區域,局部區域顏色 較深。 

1.2 化學成分分析 

從斷裂齒輪上取樣并進行化學成分分析,結果 如表1所示。由表1可知:齒輪中碳、錳元素含量較 低,不符合 GB/T699—2015 《優質碳素結構鋼》對 45Mn鋼的標準要求,鎳元素雖然滿足 GB/T699— 2015的要求,但實測值偏低。 

1.3 掃描電鏡及能譜分析

 在齒輪的斷裂處取樣,并對其截面進行磨拋處 理,然后置于掃描電鏡(SEM)下觀察,同時對斷裂 處的異常部位進行能譜(EDS)分析。齒輪斷裂截面 不同區域 SEM 形貌如圖2所示,發現存在大量非 金屬夾雜物。對非金屬夾雜物進行 SEM 觀察,其 形貌如圖3所示。用能譜儀對齒輪斷裂截面進行分 析,發現夾雜部位存在較高含量的氧和鋁元素,鋁元 素質量分數高達32.79%,說明在齒根處存在大量 以氧化鋁為主的非金屬夾雜物,同時伴有硫化錳夾 雜物。結合夾雜部位的元素分布面掃描結果分析, 發現存在氧、鋁、硫、錳元素,進一步確認了氧化鋁及 硫化錳非金屬夾雜物的存在(見圖4)。

1.4 金相檢驗

 在齒輪斷 裂 截 面 處 取 樣,試 樣 經 4% (體 積 分 數)硝酸酒精溶液侵蝕后,在光學顯微鏡下進行顯微 組織觀察,結果如圖5所示。從圖5可以看出:輪齒 處存在大量粗大的魏氏體。

1.5 硬度測試 

在齒輪斷裂截面處取樣,試樣經磨拋后采用全 洛氏硬度計進行洛氏硬度試驗,依據 GB/T230.1— 2018《金屬材料 洛氏硬度試驗 第 1 部分:試驗方 法》進行試驗,試驗力為1.471kN,試驗結果如表2所示。從表2可以看出:齒輪的硬度不滿足該齒輪 的產品設計要求,硬度測試結果與金相檢驗中魏氏 體的出現是對應的。 

2 綜合分析 

理化檢驗分析結果表明:齒輪輪齒的頂部位置 呈現出肉眼可見的疑似缺陷剝落現象,同時在斷裂 處未見明顯塑性變形區域;齒輪的化學成分不滿足 GB/T699—2015的標準要求,而且部分元素偏離 較大;斷裂的輪齒處存在大量粗大的魏氏體。魏氏 體是在過熱區內,粗大的奧氏體在較快冷卻速率下 形成的 一 種 特 殊 的 過 熱 組 織,由 于 其 晶 粒 粗 大, 同 時大量鐵素體針片形成脆弱面,因此降低了材料的韌性。一般來說,調質過程中溫度較高,會導致魏 氏體的形成[3],但該斷裂齒輪未見明顯調質處理跡 象。同時,齒輪中還存在大量的非金屬夾雜物,其硬 度也不符合設計要求。受上述諸多因素的共同影 響,齒輪的輪齒在彎曲疲勞應力作用下,隨著齒根部 位的應力集中,齒輪的疲勞壽命降低[4],最終發生斷 裂失效。 

3 結論及建議

 (1)該齒輪長時間受彎曲疲勞應力以及材料中 存在異常組織和非金屬夾雜物,最終導致了齒輪斷 裂失效。 

(2)選擇齒輪時要重點關注其彎曲疲勞強度、 耐磨性和接觸疲勞強度,同時還要求輪齒心部具有 足夠的硬度和韌性等。

參考文獻: 

[1] 馮紫萱,馮文博,李軻.減速機齒輪斷裂原因分析[J]. 山西冶金,2020,43(3):34-35. 

[2] 陳鄖,皇百紅,楊亮波,等.變速箱中間軸常嚙合齒輪 斷裂失 效 分 析 [J].金 屬 材 料 與 冶 金 工 程,2021,49 (6):17-21. 

[3] 武坤,楊帆,王秀健,等.力矩扳手連接桿的斷裂原因 及熱處理工藝改進[J].理化檢驗(物理分冊),2021, 57(11):71-74. 

[4] 王華.分動 箱 齒 輪 斷 裂 原 因 [J].理 化 檢 驗 (物 理 分 冊),2021,57(2):63-66. 

<文章來源> 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 7期 (pp:62-64)>