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某電力機(jī)車在運(yùn)行接近一年后，反饋第4位從動(dòng)齒輪齒圈斷裂。齒輪多個(gè)齒發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞，幾乎所有的輪齒均在靠車輪的一側(cè)出現(xiàn)裂紋，見圖1，從動(dòng)齒輪也有部分輪齒在中部偏向車輪部位發(fā)生疲勞裂紋，疲勞斷裂特征十分明顯，見圖2，并且由圖可見該部分多個(gè)齒連續(xù)斷裂，已被嚴(yán)重磨損。

電力機(jī)車從動(dòng)齒輪，輪心材質(zhì)為ZG25Ⅱ（ZG230-450）；齒圈材質(zhì)為42CrMo，表面中頻感應(yīng)淬火，淬硬層深度要求1～3mm，輪齒表面硬度要求52～58HRC，心部要求調(diào)質(zhì)處理，硬度241～295HBW。

 

1.斷口分析

該齒輪在運(yùn)行中出現(xiàn)多處疲勞裂紋，其中發(fā)展最快導(dǎo)致最終斷裂的斷口情況如圖3所示，裂紋起源于表面其中A區(qū)為裂紋源區(qū)，有磨損和變形；B區(qū)為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，貝紋線十分清晰，且擴(kuò)展得較為充分，無臺(tái)階； C區(qū)為瞬時(shí)破斷區(qū)，有明顯的放射狀條紋，且紋路較粗。除了局部地方外，斷口整體無宏觀塑性變形。

2.化學(xué)成分分析

化學(xué)成分試驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1的化學(xué)成分分析結(jié)果可見化學(xué)成分符合GB3077—1999的要求。

表1 從動(dòng)齒輪化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分析結(jié)果 （%）

元素	C	Si	Mn	P	S	Cu	Cr	Mo
實(shí)測值	0.44	0.32	0.68	0.020	0.011	0.049	1.09	0.18
要求	0.38～0.45	0.17～0.37	0.50～0.80	≦0.025	≦0.025	≦0.25	0.90～1.20	0.15～0.25

3.金相檢驗(yàn)

（1）非金屬夾雜物檢驗(yàn)

利用DK7725型線切割機(jī)在疲勞裂紋源附近切取金相試樣，經(jīng)磨制、拋光，按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物的測量定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微測定法》標(biāo)準(zhǔn)的要求，在NEOPHOT32顯微鏡下觀察，進(jìn)行非金屬夾雜物的檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果為：A0.5，B0.5，C1.0，D1.5，存在較大塊的單獨(dú)的夾雜物，見圖4，放大倍數(shù)為400×，大塊夾雜物在顯微鏡下測量，其長約0.08mm，寬約0.03mm，其他部分的夾雜物在一般規(guī)定的合格范圍內(nèi)。

 

（2）從動(dòng)齒輪心部組織檢驗(yàn)

齒輪金相試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在NEOPHOT32顯微鏡下觀察，金相檢驗(yàn)結(jié)果見圖5，其中鐵素體組織為條塊狀及少量網(wǎng)狀分布，其余為回火索氏體。

 

（3）從動(dòng)齒輪淬硬層組織檢驗(yàn)

齒輪淬硬層金相組織檢驗(yàn)結(jié)果見圖6，其中馬氏體組織呈細(xì)針狀。

 

4.硬度檢驗(yàn)

（1）從動(dòng)齒輪心部硬度檢驗(yàn)

按照GB/T 231.1—2002《金屬布氏硬度試驗(yàn)第一部分： 試驗(yàn)方法》 進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，結(jié)果為266HBW；可見齒輪心部硬度符合技術(shù)要求。

 

（2）從動(dòng)齒輪齒面硬度

按照GB/T 《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第一部分：試驗(yàn)方法（A、B、C、D、E、F、G、H、N、T）標(biāo)尺》進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，由于齒面硬度不均勻?yàn)榱吮砻鲝膭?dòng)齒輪表面硬度及分布的具體情況，我們進(jìn)行了多次檢測，結(jié)果見表2，硬度平均值為46.0HRC。

表2 表面硬度測試結(jié)果（HRC）

序號(hào)	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	平均值
硬度值	46.5	51.5	47.0	49.0	29.5	51.0	54.0	34.0	51.0	50.0	46.0

從表1的測試數(shù)據(jù)我們可見，淬硬層硬度總體及平均值均低于技術(shù)要求，且齒輪表面硬度很不均勻，還有明顯的軟點(diǎn)。

 

（3）從動(dòng)齒輪淬硬層深度及完整性檢測

利用DK7725型線切割機(jī)切割解剖后，切取了一個(gè)輪齒截面，進(jìn)行淬層檢驗(yàn)，齒中部的淬硬層深度2～3.5㎜，且整體較為完整如圖7所示，頂部由于磨損層深略淺。

 

考慮到齒輪裂紋均從靠近車輪一側(cè)發(fā)生，并且最低的硬度值是在靠近車輪一側(cè)出現(xiàn)的，因此我們對(duì)齒輪靠近車輪一側(cè)發(fā)生斷裂的輪齒的淬硬層進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示，可見淬硬層不夠完整，有許多地方?jīng)]有淬硬層。

 

5.分析討論

從理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，從動(dòng)齒輪齒圈化學(xué)符合要求，心部硬度符合技術(shù)要求，表面硬度總體低于技術(shù)要求且有較大的硬度不均勻，還有明顯的軟點(diǎn)，淬硬層在靠近車輪的一側(cè)有較大部分不完整，齒輪心部組織調(diào)質(zhì)不良，有針狀、塊狀及網(wǎng)狀分布的鐵素體，夾雜物含量整體不高，但有個(gè)別較大的夾雜物顆粒存在。

 

從動(dòng)齒輪在機(jī)車運(yùn)行的過程中，存在軸向力、徑向力及垂直于齒面的作用力，并且有滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦力，其中垂直于齒面的作用力是造成斷齒失效的最主要作用力因素。由于其他因素的影響可以產(chǎn)生額外的附加作用力，造成受力不均，如偏角載荷。在正常情況下齒輪表面受力最大，齒根部應(yīng)力集中最大，而齒面節(jié)圓附近應(yīng)力最復(fù)雜。

 

由于齒輪表面靠近車輪的一側(cè)存在淬硬層不完整，齒輪表面硬度低且硬度及不均勻，又存在受力不均勻，不僅相當(dāng)于加大了局部的工作應(yīng)力，而且使應(yīng)力方向發(fā)生變化，在該種循環(huán)載荷的作用下，齒輪表面萌生了疲勞裂紋源，在應(yīng)力的作用下，裂紋沿應(yīng)力最大的方向擴(kuò)展，較大夾雜物的存在和心部組織不良加快了疲勞裂紋的擴(kuò)展速度，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到不足以支持外力時(shí)，發(fā)生瞬時(shí)破斷。

 

通過對(duì)斷口的分析還可以看出，裂紋均起源于齒輪表面，作用力低于材料屈服強(qiáng)度，應(yīng)力集中不大，無明顯的沖擊載荷存在的跡象，表面無嚴(yán)重的燒傷和腐蝕的跡象。

 

對(duì)此情況進(jìn)行進(jìn)一步的分析，齒輪表面靠近車輪一側(cè)淬硬層不完整，可能是由于感應(yīng)線圈運(yùn)行不到位，或者有偏角，致使齒輪表面靠車輪一側(cè)部分部位沒有淬到火；理化指標(biāo)中硬度不均、硬度偏低及調(diào)質(zhì)組織不良，主要是由于調(diào)質(zhì)淬火加熱和保溫時(shí)間不足，奧氏體化不良和奧氏體均勻化差。如果在調(diào)質(zhì)前發(fā)現(xiàn)組織不均性嚴(yán)重，可以進(jìn)行預(yù)先的熱處理。偏角載荷的產(chǎn)生原因較多，主要有齒輪尺寸精度不高、裝配不好、或者與其配合的相關(guān)零部件尺寸精度不高，運(yùn)行中有不良工況發(fā)生及運(yùn)行中在軸向作用力的作用下齒輪發(fā)生軸向運(yùn)動(dòng)等等。

 

TB/T 2658—1995 《機(jī)車牽引齒輪齒廓感應(yīng)強(qiáng)化技術(shù)條件》中規(guī)定，有效齒寬硬化區(qū)應(yīng)不小于齒寬的80%，齒寬兩端各10%齒寬范圍不做檢查，但是危翔等人的研究表明，這樣的規(guī)定存在缺陷，已不適應(yīng)重載機(jī)車齒輪的工作條件。

 

6.結(jié)論

通過以上的分析，從動(dòng)齒輪齒圈斷裂是由于齒輪本身存在質(zhì)量問題及所受載荷不均勻?qū)е碌钠跀嗔选?/span>

 

齒輪本身存在的質(zhì)量問題：感應(yīng)熱處理不良，導(dǎo)致靠近車輪一側(cè)淬層不完整；冶金質(zhì)量不良存在大的夾雜物；熱處理調(diào)質(zhì)質(zhì)量不良，有條塊及網(wǎng)狀分布的鐵素體存在。從動(dòng)齒輪表面硬度低，且硬度不均勻。

 

7.建議

（1）加強(qiáng)檢修齒輪精度及裝配質(zhì)量的檢查。

（2）加強(qiáng)探傷及工序間金相檢查工作。

（3）針對(duì)齒輪生產(chǎn)應(yīng)嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)原材料檢驗(yàn)，嚴(yán)格執(zhí)行熱處理工藝及工藝過程的檢驗(yàn)。

（4）針對(duì)舊齒輪了解以前的檢修情況，如磨修等，由相關(guān)部門研究控制措施并加強(qiáng)檢查控制。

（5）加強(qiáng)齒輪制造標(biāo)準(zhǔn)的研究，確定齒輪齒廓硬化層的分布。

 

作者：張君，李碩

 

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