周志超, 張廣治, 王貴玉, 楊艷龍, 張敬蕊, 武 甲, 張希靜

(北京首鋼股份有限公司, 遷安 064404)

在機械設(shè)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(lǐng)域最為嚴重的事故[1]，同時也是變速箱零部件中發(fā)生失效概率較高的類型之一[2]。某齒輪作為產(chǎn)線變速箱的核心零件之一，在運行過程中發(fā)生故障，經(jīng)停機拆解后，發(fā)現(xiàn)該齒輪的輪齒頂部嚴重磨損并出現(xiàn)斷裂，同時輪齒頂部呈現(xiàn)出疑似缺陷剝落現(xiàn)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(shè)計材料為45Mn鋼，其原材料執(zhí)行標準為GB/T 699—2015 《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》，齒輪成品經(jīng)過調(diào)質(zhì)、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(xiàn)肉眼可見的疑似缺陷剝落現(xiàn)象，同時在斷裂位置未見明顯塑性變形區(qū)域，局部區(qū)域顏色較深。

圖1 斷裂齒輪宏觀形貌

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(jié)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/T 699—2015 《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對45Mn鋼的標準要求，鎳元素雖然滿足GB/T 699—2015的要求，但實測值偏低。

表1 斷裂齒輪化學成分 %

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(qū)域SEM形貌如圖2所示，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)夾雜部位存在較高含量的氧和鋁元素，鋁元素質(zhì)量分數(shù)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(jié)合夾雜部位的元素分布面掃描結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)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)。

圖2 齒輪斷裂截面不同區(qū)域SEM形貌

圖3 齒輪斷裂截面夾雜物SEM形貌

圖4 夾雜部位元素分布面掃描結(jié)果

1.4 金相檢驗

在齒輪斷裂截面處取樣，試樣經(jīng)4%(體積分數(shù))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(jié)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。

圖5 齒輪斷裂截面顯微組織形貌

1.5 硬度測試

在齒輪斷裂截面處取樣，試樣經(jīng)磨拋后采用全洛氏硬度計進行洛氏硬度試驗，依據(jù)GB/T 230.1—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1.471 kN，試驗結(jié)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(chǎn)品設(shè)計要求，硬度測試結(jié)果與金相檢驗中魏氏體的出現(xiàn)是對應(yīng)的。

表2 洛氏硬度測試結(jié)果 HRC

2 綜合分析

理化檢驗分析結(jié)果表明：齒輪輪齒的頂部位置呈現(xiàn)出肉眼可見的疑似缺陷剝落現(xiàn)象，同時在斷裂處未見明顯塑性變形區(qū)域；齒輪的化學成分不滿足GB/T 699—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(qū)內(nèi)，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(diào)質(zhì)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(diào)質(zhì)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(shè)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(yīng)力作用下，隨著齒根部位的應(yīng)力集中，齒輪的疲勞壽命降低[4]，最終發(fā)生斷裂失效。

3 結(jié)論及建議

(1) 該齒輪長時間受彎曲疲勞應(yīng)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(guān)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。