工程機械減速機齒輪失效原因分析

某工程機械減速機齒輪發(fā)生了失效。為了探究齒輪失效的原因，對失效齒輪進行了解剖。 并采用直讀光譜儀、擺錘式?jīng)_擊試驗機、拉伸試驗機、洛氏硬度計、顯微硬度計及金相顯微鏡等設(shè)備，進行了成分、組織及力學(xué)性能檢測，并對熱處理工藝進行了分析。

結(jié)果表明：失效齒輪的化學(xué)成分滿足 20CrMnTi 材料的要求；失效齒輪心部預(yù)備熱處理不合適，強度達不到標(biāo)準(zhǔn)要求；滲碳熱處理使齒面部位達到了硬度及滲碳深度的要求，但滲碳不均勻，齒輪側(cè)面硬度達不到要求。齒輪側(cè)面硬度低和耐磨性差是失效的主要原因。

減速機在使用過程中，過早地出現(xiàn)了振動、噪聲等，影響了正常的使用。為了解決這一問題，技術(shù)人員對該減速機進行了拆解，發(fā)現(xiàn)二級行星齒輪存在齒面磨損及塑性變形的問題。在此情況下，只能更換二級行星輪。為了從根源上解決齒輪失效的問題， 對該失效齒輪進行了一系列的檢驗與分析，包括成分分析、金相檢驗、力學(xué)性能分析等。

1  試驗方法與設(shè)備

本文以失效齒輪為研究對象，從齒輪材料與性能進行分析，找到齒輪失效的根本原因。檢測試樣的取樣位置應(yīng)滿足試驗要求，且具有代表性，各試樣的取樣位置如圖 1 所示。

采用直讀光譜儀對齒輪材料成分進行分析，并與 GB/T3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》中20CrMnTi 材料成分進行對比；采用擺錘式?jīng)_擊試驗機檢測材料的沖擊韌性，試樣為 10 mm×10 mm×55 mm 的標(biāo)準(zhǔn) U型缺口試樣；采用 100 kN 電子拉伸試驗機檢測材料的強度；采用洛氏硬度計與顯微硬度計檢測材料的硬度及有效硬化層深度；采用倒置式金相顯微鏡檢測材料的組織。

2  試驗結(jié)果與分析

2.1  失效齒輪化學(xué)成分分析

經(jīng)檢測，失效齒輪的化學(xué)成分如表 1 所示，與GB/T3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》中20CrMnTi 材料成分進行比對，發(fā)現(xiàn)失效齒輪的化學(xué)成分達到了要求。

表1  20CrMnTi 齒輪的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

2.2  失效齒輪的力學(xué)性能分析

采用 100 kN 電子拉伸試驗機對試樣進行拉伸試驗，結(jié)果見表 2。采用擺錘式?jīng)_擊試驗機對試樣進行沖擊韌性試驗（表 2），試樣 1#～3# 為平行試樣。

表2  失效齒輪力學(xué)性能

從表 2 可看出，失效齒輪的抗拉強度為 857.35～938.00MPa，低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低值1080 MPa；沖擊吸收功為 60.43～68.25J，高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低值 55J，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3  失效齒輪硬度分析

失效齒輪的 表面硬度采用洛氏硬度計進行檢測，檢測位置為齒面及側(cè)面，結(jié)果見表 3。

表3 失效齒輪的表面硬度(HRC)

從表 3 可以看出，失效齒輪的側(cè)面硬度較低，低于 58～62 HRC 的硬度要求， 較低的表面硬度是導(dǎo)致齒輪表面磨損的主要原因。

采用顯微硬度計檢測失效齒輪表面滲碳情況，從齒面至心部的硬度變化曲線如圖 2 所示。從圖中可知，失效齒輪的有效硬化層深度 CHD 為 1.41mm，達到了滲碳深度要求[2-3]。圖中，從表面至心部，硬度首先增加，然后平穩(wěn)降低至 450HV1 左右。

2.4  失效齒輪組織分析

失效齒輪從齒尖至齒心的顯微組織見圖 3。

圖3  失效齒輪各部位的顯微組織

該齒輪經(jīng)過了滲碳處理，根據(jù)含碳量的多少，一般將滲碳層分為過共析層、共析層及亞共析層，過共析層碳含量可達 0.8%～1.0%。從圖 3 可知，過共析層主要由灰色針狀馬氏體及少量白色塊狀殘余奧氏體組成；共析層主要由細小短針狀馬氏體及少量殘余奧氏體組成；亞共析層主要由較粗大的透鏡狀馬氏體及少量屈氏體組成；齒心由馬氏體及晶界未溶顆粒狀鐵素體組成。齒心金相組織取樣于齒輪中心線與齒根圓相交處[4-7]。結(jié)合齒輪的CHD 曲線，齒尖到齒心的金相組織能夠滿足硬度要求。齒輪心部位置的顯微組織如圖4 所示。

從圖 4 可知，心部組織主要由大塊狀鐵素體及索氏體組成，并且組織有一定的偏析，該金相組織的取樣位置為齒輪心部位置處，與拉伸試樣取樣位置一致。

2.5  綜合分析

一般來說，齒輪加工的工藝路線為[8-11]：鍛造→預(yù)備熱處理（正火、退火或調(diào)質(zhì)等）→粗加工（齒形加工）→滲碳→淬火→低溫回火→噴丸→校正花鍵孔→精加工（磨齒）。齒輪毛坯需鍛造，鍛造能夠降低晶粒尺寸，改善毛坯組織性能；預(yù)備熱處理主要目的是降低硬度，提高塑性，便于切削加工，細化晶粒，均勻化成分與組織，為后續(xù)熱處理做準(zhǔn)備。

對于 20CrMnTi 材料，滲碳熱處理工藝規(guī)范一般是先進行 920～950℃正火熱處理，然后在 920～940℃下滲碳處理， 最后 830～870℃油淬及 180～200℃低溫回火。

失效齒輪心部的強度較低，達不到標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合該位置的金相組織，發(fā)現(xiàn)組織中存在塊狀鐵素體及偏析，導(dǎo)致了材料強度降低。偏析的存在與預(yù)備熱處理不合適有關(guān)，可以增加預(yù)備熱處理的時間或提高溫度。

失效齒輪側(cè)面硬度低，耐磨性較差，這是導(dǎo)致失效的主要原因，結(jié)合本文中的分析，表面硬度低，主要是由于在滲碳過程中，滲碳方法不當(dāng)，滲碳不均勻所致。

3  結(jié)論

（1）失效齒輪的化學(xué)成分滿足 GB/T3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》中 20CrMnTi 材料的要求。

（2）失效齒輪心部由于預(yù)備熱處理不合適，強度達不到性能要求。

（3）滲碳熱處理使齒面部位達到了硬度及滲碳深度的要求，但滲碳不均勻，齒輪側(cè)面硬度達不到要求。齒輪側(cè)面硬度低，耐磨性較差，這是失效的主要原因。