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20CrNi2Mo鋼制齒輪表面點坑狀缺陷產(chǎn)生原因分析

嘉峪檢測網(wǎng)        2019-11-12 16:30

 

 

近十年來,隨著軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展,高寒、高速、重載等工況日益復(fù)雜化,作為重要傳動件的齒輪失效事故也日益增多。齒輪的失效形式多種多樣,常見的有齒面磨損、點蝕、塑性變形、折齒、疲勞斷裂、偏載、電蝕等。

 

事故背景

某線路地鐵滲碳鋼齒輪材料為20CrNi2Mo鋼,熱處理工藝為滲碳淬火+低溫回火,服役一段時間后拆檢時發(fā)現(xiàn)齒面存在較多點坑狀缺陷。

 

理化檢驗

1

宏觀分析

宏觀觀察齒輪的齒面未見塑性變形、異常磨損、偏載、斷裂現(xiàn)象,圖1中箭頭所指處為齒面缺陷較為嚴(yán)重的齒條。

 

20CrNi2Mo鋼制齒輪表面點坑狀缺陷產(chǎn)生原因分析

圖1 齒輪宏觀形貌

 

經(jīng)拆解清洗后,從動齒輪的宏觀形貌如圖2所示。

 

20CrNi2Mo鋼制齒輪表面點坑狀缺陷產(chǎn)生原因分析

圖2 從動齒輪齒面宏觀形貌

 

齒面缺陷特征主要表現(xiàn)為以下幾方面:

①整體呈L型或Z型等;

②表面存在明顯的回火特征,局部呈藍(lán)色或淡黃色;

③內(nèi)部呈點坑狀熔融態(tài)特征;

④部分缺陷分布于齒頂處,值得注意的是,齒頂在齒輪傳動過程中為非嚙合區(qū);

⑤缺陷周圍齒面磨加工痕跡清晰可見,未見明顯異常;

⑥非缺陷區(qū)域齒面完好,未發(fā)現(xiàn)偏載、偏磨現(xiàn)象。

 

主動齒輪的宏觀形貌如圖3所示。

 

20CrNi2Mo鋼制齒輪表面點坑狀缺陷產(chǎn)生原因分析

圖3 主動齒輪齒面宏觀形貌

 

齒面缺陷特征主要表現(xiàn)為兩方面:

①缺陷呈Z型分布,內(nèi)部呈點坑狀熔融特征且伴有回火色,缺陷周圍齒面形貌完好(I處);

②齒面局部出現(xiàn)了斑痕類磨損區(qū)域(II處)。

 

值得注意的是,該磨損區(qū)與從動齒輪齒面的斑痕位置恰好對應(yīng)。

2

掃描電鏡分析

對上述從動齒輪和主動齒輪的4處缺陷取樣,使用S-3700N型掃描電鏡進(jìn)行觀察。可見從動齒輪齒面和齒頂處缺陷均表現(xiàn)為熔融態(tài)特征,有云形花樣且熔滴局部呈濺射狀,見圖4和圖5。

 

20CrNi2Mo鋼制齒輪表面點坑狀缺陷產(chǎn)生原因分析

圖4 從動齒輪齒面缺陷微觀形貌

 

20CrNi2Mo鋼制齒輪表面點坑狀缺陷產(chǎn)生原因分析

圖5 從動齒輪齒頂缺陷微觀形貌

 

GB/T 3481-1997«齒輪輪齒磨損和損傷術(shù)語»指出:“電蝕是由于齒輪嚙合齒面間放射出的電弧或電火花的作用,在齒輪齒面上形成的許多邊緣光滑的小弧坑,有融熔放電特征,齒面有時也會出現(xiàn)較大面積灼傷,其邊緣呈現(xiàn)出回火色。”結(jié)合宏觀分析結(jié)果可判定,從動齒輪齒面出現(xiàn)了典型的電蝕現(xiàn)象。


主動齒輪缺陷微觀特征與從動齒輪的相同,見圖6。

 

20CrNi2Mo鋼制齒輪表面點坑狀缺陷產(chǎn)生原因分析

圖6 主動齒輪齒面缺陷微觀形貌

 

主動齒輪斑痕類磨損區(qū)微觀形貌呈點狀剝離小坑,坑底比較平滑,具有疲勞磨損特征,見圖7。

 

20CrNi2Mo鋼制齒輪表面點坑狀缺陷產(chǎn)生原因分析

圖7 主動齒輪磨損區(qū)微觀形貌

 

這是由于嚙合齒面發(fā)生電蝕后,在隨后的運(yùn)行過程中,缺陷處油膜無法建立,局部發(fā)生疲勞破壞所致。

 

金相檢驗

使用光學(xué)顯微鏡對缺陷處試樣進(jìn)行顯微組織觀察。從動齒輪齒面缺陷處呈凹陷狀,局部存在凸起,表面組織為白亮的淬火馬氏體,次表層回火特征明顯,腐蝕易變色,見圖8。

 

20CrNi2Mo鋼制齒輪表面點坑狀缺陷產(chǎn)生原因分析

圖8 從動齒輪齒面缺陷處顯微組織形貌

 

對其進(jìn)行硬度測試發(fā)現(xiàn),表層白亮組織硬度約為750HV0.1(62.5HRC),次表層深色組織硬度為500~600HV0.1(49.5~55.5HRC),再次表層硬度則回歸正常,約為650HV0.1(58.5HRC)。從動齒輪齒頂附近缺陷處顯微組織特征同上,局部有微裂紋萌生,裂紋深度較淺,僅限于淬火馬氏體范圍內(nèi),見圖9。

 

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圖9 從動齒輪齒頂缺陷處顯微組織形貌

 

主動齒輪齒面缺陷處顯微組織特征也同上,白亮層深度略淺,見圖10。

 

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圖10 主動齒輪齒面缺陷處顯微組織形貌

 

主動齒輪斑痕磨損區(qū)具有疲勞剝離特征,與圖7相吻合,裂紋深度較淺(約10μm),表面存在很淺(約1μm)的一層白亮組織,見圖11。

 

20CrNi2Mo鋼制齒輪表面點坑狀缺陷產(chǎn)生原因分析

圖11 主動齒輪磨損區(qū)顯微組織形貌

 

此外,主、從動齒輪正常部位的檢測結(jié)果均滿足相關(guān)技術(shù)要求。

 

分析與討論

由上述分析可知,齒輪齒面發(fā)生了電蝕,局部油膜無法建立進(jìn)而導(dǎo)致疲勞磨損。電蝕示意圖見圖12,以齒輪為例,主、從動齒輪在相互嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)時,電流在其接觸區(qū)域內(nèi)流動,接觸區(qū)內(nèi)的非接觸部分則會擊穿潤滑油膜形成火花放電,極短時間內(nèi)造成局部受熱熔化,甚至焊接在一起,使得齒面燒傷,形成電弧坑。電蝕不僅會損壞齒輪本身,而且電蝕磨損產(chǎn)生的微粒會導(dǎo)致潤滑劑變質(zhì),嚴(yán)重影響齒輪的使用壽命。

 

20CrNi2Mo鋼制齒輪表面點坑狀缺陷產(chǎn)生原因分析

圖12 電蝕示意圖

 

存在電蝕并不是導(dǎo)致齒輪快速失效的唯一原因。同樣,齒面失效也不完全是由摩擦磨損造成的。齒輪迅速失效往往是兩者交替復(fù)合的結(jié)果。電蝕放電后的熔融態(tài)金屬在潤滑液激冷作用下形成白亮層,該白亮層為淬火馬氏體,硬度高、脆性大,在摩擦磨損過程中極易萌生顯微裂紋并發(fā)生擴(kuò)展,使得局部金屬脫落。加之電蝕坑區(qū)域凸起的部位在反復(fù)嚙合中產(chǎn)生金屬微粒,兩者摻雜在潤滑油里構(gòu)成研磨劑,惡化了潤滑環(huán)境,從而加劇齒輪磨損導(dǎo)致其提前失效。

 

結(jié)論及建議

(1)該齒輪發(fā)生了電蝕摩擦磨損。齒輪齒面和齒頂?shù)狞c坑狀缺陷均呈熔融態(tài)特征,顯微組織為高硬、高脆的淬火馬氏體,極易萌生顯微裂紋并發(fā)生擴(kuò)展,加之電蝕使得局部油膜無法建立,導(dǎo)致齒輪在循環(huán)嚙合作用下發(fā)生磨損,并出現(xiàn)了接觸疲勞剝落現(xiàn)象。

 

(2)建議提高輪齒表面的磨加工精度,避免明顯磨削刀痕的出現(xiàn);保證主、從動齒輪嚙合面之間充分潤滑;可能通過漏電流的齒輪裝置應(yīng)嚴(yán)格絕緣,并采用合理的接地裝置。

 

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來源:曹渝理化檢驗

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