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某減速機行星齒輪在使用中出現(xiàn)斷齒事故，該行星齒輪的材質(zhì)為20MnCr5，熱處理工藝為滲碳+淬火+回火。本文運用金相檢驗等方法綜合分析行星齒輪失效斷齒的原因，并提出預(yù)防改進措施。

 

一、理化檢驗

 

1.1 斷口形貌

 

（1）宏觀形貌

 

該行星齒輪的失效形式主要為一個輪齒沿著齒根完全斷裂，另外在斷裂輪齒附近有兩輪齒的齒頂出現(xiàn)小塊崩裂現(xiàn)象，這可能是斷裂輪齒失效后擠壓碰撞造成的。失效行星齒輪宏觀形貌如圖1所示。其余輪齒表面均完好，接觸區(qū)磨損正常，沒有明顯的機械加工缺陷。檢查齒面、齒根，未發(fā)現(xiàn)明顯的機械加工缺陷，齒根未見凸臺，齒部表面粗糙度符合技術(shù)要求。

 

 

圖1  行星齒輪宏觀形貌 

 

（2）斷口形貌特征及斷裂模式

 

經(jīng)觀察，失效輪齒沿齒根部脆斷，斷口宏觀上沒有裂紋源，斷口附近無明顯的變形，斷面結(jié)構(gòu)較粗，由此可見，該斷裂模式為一次性快速斷裂，而非疲勞斷裂。斷口宏觀形貌如圖2所示。

 

 

圖2  斷口宏觀形貌

 

1.2 磁粉檢測

 

對失效行星齒輪進行磁粉檢測，在其工作面與非工作面區(qū)域均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

 

1.3 原材料質(zhì)量檢測

 

（1）化學(xué)成分

 

原材料為20MnCr5，檢測結(jié)果見表1。根據(jù)標準DIN EN 10084—2008《滲碳鋼技術(shù)交貨條件》要求及允許偏差，wMn比要求低0.233%，其余元素符合要求。

 

表1  行星齒輪本體化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）  （%）

 

 

（2）非金屬夾雜物

 

根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定  標準評級圖顯微檢驗法》標準對非金屬夾雜物進行檢測與評定，結(jié)果見表2和圖3。

 

表2  非金屬夾雜物檢測結(jié)果  （級）

 

 

 

圖3  非金屬夾雜物（500×）

 

1.4 熱處理質(zhì)量檢測

 

截取斷裂輪齒附近3連齒，沿齒寬方向中間切開作為檢測面，如圖4所示。

 

 

圖4  本體截取樣品形貌

 

（1）表面組織

 

本體截取樣品的檢測面，經(jīng)磨制拋光后檢測，節(jié)圓處因已磨齒而無晶界內(nèi)氧化，齒根處晶界內(nèi)氧化為12μm，如圖5a所示。用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，按照JB/T 6141.3—1992《重載齒輪 滲碳金相檢驗》檢測表面金相組織，結(jié)果見表3，金相組織如圖5b、圖5c所示。

 

 

圖5  本體金相組織（500×）

 

從以上檢測結(jié)果可以看出，失效行星齒輪的表面熱處理質(zhì)量較好，沒有異常。但是次表面馬氏體組織比表面粗大，馬氏體針局部較長，如圖6所示。

 

 

圖6  次表面組織（500×）

 

（2）硬化層深檢測

 

該行星齒輪的法向模數(shù)mn為3，按AGMA 2001防止彎曲失效的最小硬化層深度公式（單位：mm）計算，得出防止該行星齒輪彎曲失效的最小硬化層深度為0.484mm，在斷齒相鄰工作面節(jié)圓處測得硬化層深度為0.84mm，齒根0.83mm，硬化層檢測結(jié)果見表4。由以上數(shù)據(jù)可以看出，失效齒輪硬化層深符合使用要求。

 

表4  硬化層檢測結(jié)果

 

 

（3）心部組織及硬度檢測

 

失效齒輪的心部組織為板條馬氏體，板條馬氏體束比較粗大，如圖7所示。心部硬度為41~43HRC，檢測位置為輪齒的中心線與齒根圓相交處，因此可以推斷出其心部抗拉強度較高。僅從力學(xué)性能分析，該行星齒輪不存在過載斷齒的可能。

 

 

圖7  心部組織（500×）

 

（4）實際晶粒度檢測

 

經(jīng)過飽和苦味酸水溶液浸蝕后，按照標準GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》對齒輪實際晶粒度進行檢測，表面晶粒度為9.5級，次表面及心部為2.0~9.5級，出現(xiàn)混晶，如圖8所示。

 

 

圖8  晶粒度

 

1.5 殘余應(yīng)力檢測

 

對失效齒輪的齒面及齒根進行殘余應(yīng)力檢測，以判定是否因為殘余拉應(yīng)力，與外加工作應(yīng)力疊加，加大齒根的應(yīng)力峰值而導(dǎo)致輪齒的早期失效。表5為殘余應(yīng)力檢測結(jié)果。

 

表5  殘余應(yīng)力檢測結(jié)果  （MPa）

 

 

1.6 齒輪嚙合狀況

 

對失效齒輪的工作面進行觀察，接觸痕跡光滑，嚙合狀況良好，沒有點蝕和剝落等異常情況。

 

二、結(jié)果分析與討論

 

（1）磁粉檢測

 

行星齒輪工作面與非工作面區(qū)域均未發(fā)現(xiàn)裂紋，說明此次斷齒事故不是因表面裂紋形成而導(dǎo)致的疲勞斷裂。

 

（2）原材料質(zhì)量

 

化學(xué)成分中錳含量低于要求值，會降低材料的淬透性，從而影響熱處理層深，但該輪齒熱處理后硬化層深滿足要求，故輪齒的斷裂與此無直接關(guān)系。

 

非金屬夾雜物A類硫化物相對較多，且局部集中，夾雜物的存在破壞了金屬基體的連續(xù)性，對強度影響較小，但對鋼的韌性危害較大，會使韌性降低。夾雜物的存在易造成應(yīng)力集中，促進疲勞裂紋的產(chǎn)生，并在一定條件下擴展，從而加速疲勞破壞的過程。由于該斷裂模式為一次性快速斷裂，而非疲勞斷裂，所以此次斷齒與非金屬夾雜物無直接關(guān)系，但會存在潛在失效風險。

 

（3）熱處理質(zhì)量

 

失效行星齒輪的表面熱處理質(zhì)量較好，沒有異常。但是次表面和心部馬氏體組織局部較粗大，馬氏體針較長，馬氏體粗大容易在次生及初生馬氏體間形成微裂紋，降低表面沖擊韌度。

 

齒輪次表面及心部實際晶粒度為2.0~9.5級，出現(xiàn)混晶，這與局部馬氏體粗大相符?；炀У拇嬖诖蟠蠼档土她X輪的強韌性，一旦遇到強烈沖擊，將出現(xiàn)瞬時斷裂，從而使齒輪早期失效。

 

為了尋找混晶產(chǎn)生的原因，先將斷齒混晶試塊進行860℃保溫2h后空冷，正火后得到的組織為較均勻的鐵素體+珠光體的平衡組織（見圖9a）；然后加熱到930℃保溫5h水淬，用飽和苦味酸水溶液腐蝕后晶粒度8.5級（見圖9b），說明鋼錠為本質(zhì)細晶粒鋼。由此說明，混晶的產(chǎn)生是因鋼錠鍛造完成后未進行細化晶粒的正火或正火不充分導(dǎo)致產(chǎn)品熱處理后組織遺傳而造成的。鍛造后正火可細化晶粒，獲得比較均勻的組織和性能，不僅可為后續(xù)熱處理工藝提供適宜的組織狀態(tài)，還可消除粗大組織等某些熱處理缺陷。因此，為了改善金屬材料的切削加工性能、熱處理工藝性能，消除某些缺陷，建議進行充分適宜的正火處理。

 

 

圖9  斷齒混晶試塊金相組織

 

（4）應(yīng)力角度

 

從應(yīng)力角度分析，完好輪齒齒面的殘余壓應(yīng)力比斷裂輪齒相鄰齒面高出700MPa，這可能是因斷裂輪齒在失效時碰撞相鄰輪齒齒面造成的。完好輪齒齒根是壓應(yīng)力，與斷裂輪齒左右齒根數(shù)據(jù)差不多，不存在拉應(yīng)力與外加工應(yīng)力疊加而導(dǎo)致斷齒的情況。但是，該行星齒輪齒根的殘余壓應(yīng)力較小，為斷裂事故提供了一個不利條件，使齒輪失效的概率大大提高。

 

（5）齒輪嚙合狀況

 

齒輪嚙合狀況良好，說明無偏載、嚙合接觸面積不足等嚙合失效特征。

 

三、結(jié)論及改進措施

 

1）該行星齒輪的斷齒是因輪齒次表面組織與心部組織粗大，晶粒度存在混晶，輪齒嚙合遇到?jīng)_擊而產(chǎn)生的一次性快速斷裂失效。

 

2）化學(xué)成分與非金屬夾雜物存在一些不足，雖非此次斷齒事故直接原因，但會成為潛在失效原因。因此，對原材料的成分和非金屬夾雜物在冶煉過程需鋼廠嚴格控制。

 

3）該行星齒輪齒根的殘余壓應(yīng)力較小，這為斷裂事故提供了一個不利條件，使齒輪失效的概率大大提高。因此，關(guān)鍵受力產(chǎn)品在熱處理后建議用強噴手段增加表面壓應(yīng)力。

 

4）混晶是鋼材一種較嚴重的內(nèi)部缺陷，鍛造后需采用適宜的正火工藝來細化晶粒，消除組織遺傳，達到消除混晶及晶粒粗大的問題。

 

5）為了加強鍛件質(zhì)量控制，需對正火后的組織和晶粒度進行檢測。