圆锥齿轮失效分析

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  采用宏观断口分析和微观组织分析法,探讨了圆锥齿轮产生崩块和齿面挤伤等失效的原因,提了相应的改进和防止早期失效的技术和工艺措施。

1、问题提出

  某型的四吨载重卡车仅运行三千多公里,其传动系统噪声增大,在未达到运行五千公里时因主减速器从动齿轮突然断齿而抛错,拆修时发现,主动圆锥齿轮存在着严重崩块、齿面挤伤和麻点剥落 ,肉眼观察到主动圆锥齿轮崩块,齿面挤伤约80 % ,失效情况严重,制造厂要求分析。

2、检验方法与结果

  调查了失效件材料和有关热处理工艺及技术要求为:材料为20MnVB ,要求渗碳层深度为1.3~1.5mm ,淬火、低温回火后齿表面层硬度为RC58~RC64 ,心部硬度RC30~RC45 ,渗碳层不允许有网状碳化物。

  对失效部位进行了肉眼和放大6 倍观察,选择典型特征部位截取金相试样和测定化学成份样块;然后测定化学成份和有关部位硬度;对制备的金相试样按观察的要求采用不同腐蚀剂进行腐蚀,并观察分析照相。测定分析结果如下:

  失效齿轮化学成份:C 0.25 ,Mn 1.47 ,V 0.09 ,B 0.004。在崩齿和挤伤严重部位表面层多处存在细小裂纹;一类形状如图2 所示,裂纹起源于与表面层呈锐角的金属氧化物片层尖端,总长约0.32mm ,距表面约0.04mm ;该轮齿表面渗碳层深约2.1mm;另一类裂纹如图3 、图4 所示,图3 中裂纹主枝长约1mm ,与表面呈约60.角,在由表面0.5 - 0.75mm 处裂纹粗大,距表面约0.9mm 处出现分枝,向水平发展的分枝与另一侧主裂纹的分枝相连接;所有裂纹分枝都有发展趋势;图4 中裂纹呈L 型,其水平部位距表面约0.5mm ;在此深度还发现数条类似该照片中平行裂纹的独立细小裂纹。用光学显微镜观察图3中所示裂纹尖端,可以看到裂纹皆沿粗大马氏体束界发展而形成网络,且有晶粒脱落现象.

3、结果分析

  已经知道,在纯接触应力作用下接触面由表及里所受切应力的分布,其最大值存在于距表面0.786b 处。影响切应力分布状态的主要因素是外力大小、材料弹性、接触体形状尺寸以及接触时滑动摩擦的程度;当接触应力增大时,切应力相应增大;当材料弹性模量小或接触过程中接触处曲率半径大时,切应力相应减小;当接触过程中伴随有滑动摩擦时,表面摩擦力与切应力部分叠加,导致综合切应力极大值的位置向表面移动,尤其是当摩擦系数M > 0.2 时,切应力极大值将移至接触表面层。

  由于失效件是渗碳件,因渗碳后淬火而其由表及里Ms 点依次升高,组织转变先后次序不同,最终导致表面层分布有残余压应力而心部存在残余拉应力;随渗碳层增厚,其由表及里的Ms 点有所变化,组织转变的不同性也有相应变化,最终使表面层残余压应力减小而心部残余拉应力增大[3 ] ,该失效件渗碳层深度达2.1mm ,使表面层残余压应力大大减小,且该类件通常承载大而作用时间长,服役过程不可避免地受冲击和因摩擦导致的滑动,这使综合切应力值增大且其极大值在表面至0.786b 之间移动,切应力极大值在某些部位或区域近乎材料强度值。

  又由于渗碳时间长或加热温度高(渗碳层深约2.1mm) ,导致晶粒不均匀长大,同时促使含硼脆性相在晶界偏聚,使渗碳层韧性和强度以及塑性下降而脆性增大。当汽车在较平坦道路运行时,具有较小的冲击载荷,轮齿表面层则易于产生塑性变形(主要是渗碳工艺的扩散阶段使表面层含碳量降低而随后淬火所得板条马氏体数量相对较多,塑韧性较好) 而出现均匀分布的细小滑移线,由于受交变应力,细小滑移线处产生形变硬化使位错运动受阻塞积而导致此外应力集中不断增大,以致使滑移再次进行,这一反复过程使滑移线变长增宽加深即形成驻留滑移带;当相互靠近的驻留滑移带间距较小(小于10A) 时,两滑移面上异号位错发生反应而抵消,即形成微空洞而联接驻留滑移带成为疲劳裂纹核心,随着裂纹扩展和微断口的发生,表面层出现了图1中呈现的麻点剥落和表面至0.786b 之间的水平独立裂纹 ,而表面层大区域微观塑性变形积累则形成宏观的轮齿表面挤伤;由于程度不同的硼脆以及表面层粗大马氏体组织存在,加之齿端部受冲击相对强烈,导致轮齿崩块;而崩块部位尖角处应力集中又导致产生微裂纹,这类裂纹扩展到齿表面层中强韧性薄弱区与其它裂纹连接,并沿粗大马氏体束界继续扩展,形成裂纹网络,所有这些裂纹均分布在齿表面至0.786b 之间的不同层深处。

4、小结与措施

  早期失效的主动圆锥齿轮因高温长时间渗碳而晶粒粗大且晶界有脆化趋势,渗碳层过厚导致齿表面层残余压应力减小,而在服役过程中轮齿承受综合切应力增大且极大值因滑动摩擦力作用向表面移动,致使轮齿弯曲、接触疲劳强度下降,在服役早期就产生了严重的齿表面麻点剥落、崩块和挤伤。改进措施为:

  ①按技术要求,有效控制渗碳温度和时间,即精确控制渗碳扩散阶段的温度为920±10 ℃,保证强渗阶段和扩散阶段的时间不超过6小时,采用预冷860℃直接淬火;保证渗碳层深度为1.4~1.6mm ,渗碳层无网状碳化物,淬火低温回火后齿表层硬度RC58~RC60 ,齿心部硬度RC30~RC43;

  ②提高偶件装配精度并保证良好润滑条件,减小冲击与摩擦,使轮齿表面层承受切应力峰值下降且移动范围缩小,延长齿轮的有效服役寿命。

  汽车厂及时采用控制渗碳工艺的方法,使齿轮渗碳层达到技术要求,防止了齿轮早期失效。

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