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風(fēng)電齒輪箱用輸出齒輪軸，運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)生多齒折斷，齒面出現(xiàn)大面積金屬剝落，受損情況嚴(yán)重，如圖1所示。該齒輪材質(zhì)為18CrNiMo7-6，加工工藝為正火→滾齒→滲碳+淬火→低溫回火→磨齒。

1.試驗(yàn)材料及方法

（1）宏觀分析

圖2可以看出在齒面一側(cè)節(jié)線附近存在較大面積大塊金屬剝落現(xiàn)象，剝落坑較大且深，且邊緣輪廓較清晰但是形狀不規(guī)則，凹坑斷口較光滑，可見(jiàn)疲勞弧線。

（2）齒輪未受損區(qū)金相分析

顯微組織（顯微組織按TB/T 2254評(píng)定），如圖3～圖5所示。可以看出該輸出軸齒輪表面組織（2級(jí)）與心部組織（6級(jí)）均符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。但是其齒面和齒根位置存在嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物，經(jīng)過(guò)測(cè)量在齒面處的網(wǎng)狀碳化物深度為0.4mm。依據(jù)TB/T 2254測(cè)得該碳化物級(jí)別為5級(jí)，不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物的存在會(huì)使?jié)B層變脆，影響到齒輪的使用壽命。

硬度和硬化層深度，見(jiàn)表1，由結(jié)果可以看出該輸出軸齒輪的硬度和硬化層深度均符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

硬度和硬化層深檢驗(yàn)表

2.試驗(yàn)結(jié)果與分析

由圖5～圖10可以看出裂紋的方向大致平行，且在微裂紋萌生位置可以看到明顯的金屬塑性流動(dòng)，裂紋方向與塑性流動(dòng)方向一致。且在節(jié)線處可以看出表面組織存在分層現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)分析存在3個(gè)層次，表層白亮區(qū)為淬火馬氏體組織，相鄰為回火區(qū)，再向里為正常的滲層組織。

由上述結(jié)果可以判斷齒面金屬剝落形成原因可分成四個(gè)階段。第一階段首先在齒面出現(xiàn)沿著滑動(dòng)摩擦力方向的塑性流動(dòng)，愈靠近表層，塑性變形愈嚴(yán)重。第二階段在塑性變形的薄弱區(qū)出現(xiàn)沿著塑性流動(dòng)方向初始裂紋，并有向深處擴(kuò)展的趨勢(shì)。第三階段為初始裂紋的擴(kuò)展，當(dāng)潤(rùn)滑油油進(jìn)入裂紋后被封住, 產(chǎn)生很大油壓, 使裂紋擴(kuò)展，最終形成麻點(diǎn)剝落。第四階段為剝落坑繼續(xù)擴(kuò)大。

裂紋產(chǎn)生取決于應(yīng)力分布及相應(yīng)部位材料的抗力，在有相對(duì)滑動(dòng)的條件下，在齒面切應(yīng)力和摩擦力共同作用下產(chǎn)生微裂紋。經(jīng)分析該輸出齒輪軸的微裂紋形成方向與摩擦力方向一致，可見(jiàn)摩擦力對(duì)輪齒表面裂紋的形成起重要作用。正常情況下齒面在嚙合區(qū)應(yīng)存在潤(rùn)滑油膜，這樣會(huì)大大降低輪齒間的摩擦力，起到潤(rùn)滑冷卻作用。而圖10所示區(qū)域組織表明齒輪在運(yùn)行過(guò)程中節(jié)線處受到了高溫淬回火，而該高溫只能來(lái)自于摩擦熱，說(shuō)明輸出軸齒輪在實(shí)際工作中潤(rùn)滑冷卻嚴(yán)重不足。同時(shí)該處組織也會(huì)降低材料表面塑性抗力，降低其接觸疲勞強(qiáng)度，加速了裂紋的形成。

在整個(gè)嚙合過(guò)程中，由于輪齒表面出現(xiàn)了金屬剝落，使齒輪接觸的精度和準(zhǔn)確性下降，在傳動(dòng)過(guò)程中造成輪齒局部受載不均勻。同時(shí)點(diǎn)蝕和剝落的存在使齒輪的嚙合扭轉(zhuǎn)剛度減小，在接觸位置輪轂扭矩不變的情況下，使輪齒的扭轉(zhuǎn)角度變大，其中輪齒在節(jié)線附近嚙合時(shí)扭轉(zhuǎn)角度最大。最終影響齒輪配合，造成個(gè)別輪齒過(guò)載斷裂。

3.結(jié)語(yǔ)

（1）潤(rùn)滑不良和冷卻的不足，使齒面嚙合部位存在較大摩擦力，是此次輸出軸齒輪齒面金屬剝落形成的主要原因，最終導(dǎo)致個(gè)別輪齒過(guò)載折斷。

（2）輪齒表面存在較嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物，會(huì)使?jié)B層變脆，表面接觸疲勞強(qiáng)度降低，影響齒輪的使用壽命。建議加強(qiáng)對(duì)熱處理過(guò)程控制，減少網(wǎng)狀碳化物的形成。

作者：陳潤(rùn)松，姜永升，李忙，于建英

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來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志