圓錐齒輪失效分析

1、圓錐齒輪失效分析 采用宏觀斷口分析和微觀組織分析法，探討了圓錐齒輪產(chǎn)生崩塊和齒面擠傷等失效的原因，提了相應(yīng)的改良和防止早期失效的技術(shù)和工藝措施。 1、問題提出 某型的四噸載重卡車僅運(yùn)行三千多公里，其傳動系統(tǒng)噪聲增大，在未到達(dá)運(yùn)行五千公里時因主減速器從動齒輪突然斷齒而拋錯，拆修時發(fā)現(xiàn)，主動圓錐齒輪存在著嚴(yán)重崩塊、齒面擠傷和麻點(diǎn)剝落 ，肉眼觀察到主動圓錐齒輪崩塊，齒面擠傷約80 % ，失效情況嚴(yán)重，制造廠要求分析。 2、檢驗(yàn)方法與結(jié)果 調(diào)查了失效件材料和有關(guān)熱處理工藝及技術(shù)要求為:材料為20MnVB ，要求滲碳層深度為1.31.5mm ，淬火、低溫回火后齒表面層硬度為RC58RC64 ，心部硬度R

2、C30RC45 ，滲碳層不允許有網(wǎng)狀碳化物。 對失效部位開展了肉眼和放大6 倍觀察，選擇典型特征部位截取金相試樣和測定化學(xué)成份樣塊;然后測定化學(xué)成份和有關(guān)部位硬度;對制備的金相試樣按觀察的要求采用不同腐蝕劑開展腐蝕，并觀察分析照相。測定分析結(jié)果如下: 失效齒輪化學(xué)成份:C 0.25 ，Mn 1.47 ，V 0.09 ，B 0.004。在崩齒和擠傷嚴(yán)重部位表面層多處存在細(xì)小裂紋;一類形狀如圖2 所示，裂紋起源于與表面層呈銳角的金屬氧化物片層尖端，總長約0.32mm ，距表面約0.04mm ;該輪齒表面滲碳層深約2.1mm；另一類裂紋如圖3 、圖4 所示，圖3 中裂紋主枝長約1mm ，與表面呈約6

3、0.角，在由表面0.5 - 0.75mm 處裂紋粗大，距表面約0.9mm 處出現(xiàn)分枝，向水平發(fā)展的分枝與另一側(cè)主裂紋的分枝相連接;所有裂紋分枝都有發(fā)展趨勢;圖4 中裂紋呈L 型，其水平部位距表面約0.5mm ;在此深度還發(fā)現(xiàn)數(shù)條類似該照片中平行裂紋的獨(dú)立細(xì)小裂紋。用光學(xué)顯微鏡觀察圖3中所示裂紋尖端，可以看到裂紋皆沿粗大馬氏體束界發(fā)展而形成網(wǎng)絡(luò)，且有晶粒脫落現(xiàn)象. 3、結(jié)果分析 已經(jīng)知道，在純接觸應(yīng)力作用下接觸面由表及里所受切應(yīng)力的分布，其最大值存在于距表面0.786b 處。影響切應(yīng)力分布狀態(tài)的主要因素是外力大小、材料彈性、接觸體形狀尺寸以及接觸時滑動摩擦的程度;當(dāng)接觸應(yīng)力增大時，切應(yīng)力相應(yīng)增大

4、；當(dāng)材料彈性模量小或接觸過程中接觸處曲率半徑大時，切應(yīng)力相應(yīng)減??；當(dāng)接觸過程中伴隨有滑動摩擦?xí)r，表面摩擦力與切應(yīng)力部分疊加，導(dǎo)致綜合切應(yīng)力極大值的位置向表面移動，尤其是當(dāng)摩擦系數(shù)M 0.2 時，切應(yīng)力極大值將移至接觸表面層。 由于失效件是滲碳件，因滲碳后淬火而其由表及里Ms 點(diǎn)依次升高，組織轉(zhuǎn)變先后次序不同，最終導(dǎo)致表面層分布有殘余壓應(yīng)力而心部存在殘余拉應(yīng)力;隨滲碳層增厚，其由表及里的Ms 點(diǎn)有所變化，組織轉(zhuǎn)變的不同性也有相應(yīng)變化，最終使表面層殘余壓應(yīng)力減小而心部殘余拉應(yīng)力增大3 ，該失效件滲碳層深度達(dá)2.1mm ，使表面層殘余壓應(yīng)力大大減小，且該類件通常承載大而作用時間長，服役過程不可防止地

5、受沖擊和因摩擦導(dǎo)致的滑動，這使綜合切應(yīng)力值增大且其極大值在表面至0.786b 之間移動，切應(yīng)力極大值在某些部位或區(qū)域近乎材料強(qiáng)度值。 又由于滲碳時間長或加熱溫度高(滲碳層深約2.1mm) ，導(dǎo)致晶粒不均勻長大，同時促使含硼脆性相在晶界偏聚，使?jié)B碳層韌性和強(qiáng)度以及塑性下降而脆性增大。當(dāng)汽車在較平坦道路運(yùn)行時，具有較小的沖擊載荷，輪齒表面層則易于產(chǎn)生塑性變形(主要是滲碳工藝的擴(kuò)散階段使表面層含碳量降低而隨后淬火所得板條馬氏體數(shù)量相對較多，塑韌性較好) 而出現(xiàn)均勻分布的細(xì)小滑移線，由于受交變應(yīng)力，細(xì)小滑移線處產(chǎn)生形變硬化使位錯運(yùn)動受阻塞積而導(dǎo)致此外應(yīng)力集中不斷增大，以致使滑移再次開展，這一反復(fù)過程使

6、滑移線變長增寬加深即形成駐留滑移帶;當(dāng)相互靠近的駐留滑移帶間距較小(小于10A) 時，兩滑移面上異號位錯發(fā)生反應(yīng)而抵消，即形成微空洞而聯(lián)接駐留滑移帶成為疲勞裂紋核心，隨著裂紋擴(kuò)展和微斷口的發(fā)生，表面層出現(xiàn)了圖1中呈現(xiàn)的麻點(diǎn)剝落和表面至0.786b 之間的水平獨(dú)立裂紋 ，而表面層大區(qū)域微觀塑性變形積累則形成宏觀的輪齒表面擠傷;由于程度不同的硼脆以及表面層粗大馬氏體組織存在，加之齒端部受沖擊相對強(qiáng)烈，導(dǎo)致輪齒崩塊;而崩塊部位尖角處應(yīng)力集中又導(dǎo)致產(chǎn)生微裂紋，這類裂紋擴(kuò)展到齒表面層中強(qiáng)韌性薄弱區(qū)與其它裂紋連接，并沿粗大馬氏體束界繼續(xù)擴(kuò)展，形成裂紋網(wǎng)絡(luò)，所有這些裂紋均分布在齒表面至0.786b 之間的不同層深處。 4、小結(jié)與措施 早期失效的主動圓錐齒輪因高溫長時間滲碳而晶粒粗大且晶界有脆化趨勢，滲碳層過厚導(dǎo)致齒表面層殘余壓應(yīng)力減小，而在服役過程中輪齒承受綜合切應(yīng)力增大且極大值因滑動摩擦力作用向表面移動，致使輪齒彎曲、接觸疲勞強(qiáng)度下降，在服役早期就產(chǎn)生了嚴(yán)重的齒表面麻點(diǎn)剝落、崩塊和擠傷。改良措施為： 按技術(shù)要求，有效控制滲碳溫度和時間，即準(zhǔn)確控制滲碳擴(kuò)散階段的溫度為92010 ，保證強(qiáng)滲階段和擴(kuò)散階段的時間不超過6小時，采用預(yù)冷860直接淬火;保證滲碳層深度為1.41.6mm ，滲碳層無網(wǎng)狀碳化物，淬火低溫回火后齒表層硬度RC58RC60 ，齒心部硬度RC3