摘 要:某工程機械減速機二級行星齒輪發生了失效。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、擺錘式沖擊試驗機、拉伸試驗機、洛氏硬度計、顯微硬度計及金相顯微鏡等設備,進行了成分、組織及力學性能檢測,并對熱處理工藝進行了分析。結果表明:失效齒輪的化學成分滿足 20CrMnTi 材料的要求;失效齒輪心部預備熱處理不合適,強度達不到標準要求;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,齒輪側面硬度達不到要求。齒輪側面硬度低和耐磨性差是失效的主要原因。
關鍵詞:失效齒輪;化學成分;力學性能;組織;熱處理
某工程機械減速機在使用過程中,過早地出現了振動、噪聲等,影響了正常的使用。為了解決這一問題,技術人員對該減速機進行了拆解,發現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[1],包括成分分析、金相檢驗、力學性能分析等。
1 試驗方法與設備
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《合金結構鋼》中20CrMnTi 材料成分進行對比;采用擺錘式沖擊試驗機檢測材料的沖擊韌性,試樣為 10 mm×10 mm×55 mm 的標準 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 試驗結果與分析
2.1 失效齒輪化學成分分析
經檢測,失效齒輪的化學成分如表 1 所示,與GB/T3077-1999《合金結構鋼》中20CrMnTi 材料成分進行比對,發現失效齒輪的化學成分達到了要求。
表1 20CrMnTi 齒輪的化學成分(質量分數,%)
2.2 失效齒輪的力學性能分析
采用 100 kN 電子拉伸試驗機對試樣進行拉伸試驗,結果見表 2。采用擺錘式沖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,低于標準規定的最低值1080 MPa;沖擊吸收功為 60.43～68.25J,高于標準規定的最低值 55J,滿足標準要求。
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面,結果見表 3。
表3 失效齒輪的表面硬度(HRC)
從表 3 可以看出,失效齒輪的側面硬度較低,低于 58～62 HRC 的硬度要求, 較低的表面硬度是導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
該齒輪經過了滲碳處理,根據含碳量的多少,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→預備熱處理(正火、退火或調質等)→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,為后續熱處理做準備。
對于 20CrMnTi 材料,滲碳熱處理工藝規范一般是先進行 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,達不到標準要求,結合該位置的金相組織,發現組織中存在塊狀鐵素體及偏析,導致了材料強度降低。偏析的存在與預備熱處理不合適有關,可以增加預備熱處理的時間或提高溫度。
失效齒輪側面硬度低,耐磨性較差,這是導致失效的主要原因,結合本文中的分析,表面硬度低,主要是由于在滲碳過程中,滲碳方法不當,滲碳不均勻所致。
3 結論
(1)失效齒輪的化學成分滿足 GB/T3077-1999《合金結構鋼》中 20CrMnTi 材料的要求。
(2)失效齒輪心部由于預備熱處理不合適,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,齒輪側面硬度達不到要求。齒輪側面硬度低,耐磨性較差,這是失效的主要原因。
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作者
徐工集團工程機械有限公司高端工程機械智能制造國家重點實驗室 王燦
江蘇徐州工程機械研究院 王燦/馬國/張冬梅
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