<dd id="iaftd"></dd>

<progress id="iaftd"></progress>

<th id="iaftd"><big id="iaftd"></big></th>
  • <tbody id="iaftd"></tbody>
      1. <dd id="iaftd"></dd>

                歡迎訪問大連冶金軸承股份有限公司官網!

                軸承知識

                KNOWLEDGE

                減速機齒輪開裂的失效分析

                2021-05-31

                周吉生

                (河南科技職業大學機電工程學院)

                減速器是一種由封閉在剛性殼體內的齒輪(或蝸桿、齒輪-蝸桿)傳動所組成的獨立部件,一般在原動機和工作機之間起匹配轉速和傳遞轉矩的作用,在冶金、有色、煤炭、建材、工程機械及石化等行業有極為廣泛的應用[1]。某減速機在裝配后試運行時發生異響,打開減速機殼體發現其錐齒輪小端部位出現了掉塊,其二維平面見圖1所示,減速器齒輪長302mm,模數11,大端模數10.68,速比3.545,在裝配后試車15min后發現齒輪出現碎裂,其服役環境是在有潤滑油的封閉箱體內,最高轉速為1850r/min,輸出扭矩12000N·m,這種齒輪的早期失效會導致減速機不能正常服役,從而延長了交貨期限。生產單位決定對本批次總共27臺減速機齒輪的風險進行評估,對開裂的齒輪進行了失效分析以便于采取相應的針對性措施。

                圖1 失效齒輪零件圖的二維平面圖

                01 失效背景

                齒輪機加工流程為:下料→鍛造→調質→粗車(各個表面至3.2μm)→半精車(各個表面)→滾齒→倒角→滲碳→車螺紋部位滲碳層→淬火+低溫回火→磨齒(內孔、端面)→清洗→強化噴丸→清洗→成品檢查入庫。其鍛造溫度為1200℃,調質工藝為880℃×2h油冷淬火+530℃×2.5h高溫回火,半精車∅43mm、∅57mm、∅65mm、∅70mm、∅174mm、∅34.5mm,滲碳淬火工藝為920℃×6h滲碳+830℃×2h油冷淬火+200℃×3h低溫回火,磨齒成形精度至0.8μm,噴丸覆蓋率120%。其斷口見圖2a所示,在齒輪小端(見橢圓區)出現了開裂,小端的尖角部位從體上出現了剝落,斷口近似呈三角形,長度24mm,寬度8mm,見圖2b所示,斷口的外周邊是滲碳淬火層。將斷口進行超聲波+丙酮清洗并在VHX-6000數碼顯微鏡下觀察,見圖2c所示,可看出斷口芯部有白色亮點(見橢圓區),從白色亮點位置向四周擴散的紋路,說明此處就是所尋找的裂紋源,要對此處進行重點分析。圖2d是裂紋擴展區的裂紋形貌,從圖中可看出是解理斷裂,部分晶粒表面受到了磨損;圖2e是圖2b方框位置的斷裂形貌,此處是斷口的滲碳層位置,可看出該處的斷口是沿晶+撕裂棱,說明該處的硬度較高;但是圖2d和圖2e的形貌無異常,可知其成分也無異常。

                圖2 失效齒輪零件圖

                02 原因分析

                2.1材料成分檢驗

                齒輪的材料是20CrMnMo合金鋼[2],在靠近M36螺紋處和芯部分別取厚度為12mm試樣,依據GB/T4336-2002《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發射光譜分析方法》,用CX-9600直讀光譜儀檢測化學成分,結果見表1;和GB/T3077-1999《合金結構鋼》中規定的元素相比,滲碳層區的含碳量較高,其余元素符合國家標準。

                表1 齒輪的化學成分(質量分數)%

                2.2顯微組織及硬度檢驗

                減速機齒輪的表面要求滲碳,其有效硬化層深為1.8~2.1mm,表面硬度要求59~64HRC,芯部硬度要求34~40HRC。在圖2b中方框位置取垂直于齒部樣塊,然后打磨、拋光,再用3%硝酸酒精腐蝕,在VHX-6000數碼顯微鏡下觀察其表面和芯部的顯微組織見圖3a和圖3b。據GB/T13298-1991《金屬金相組織檢驗方法》和GB/T25744-2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》,表面顯微組織為M針+A殘可評為2級,芯部為M低碳+F游可評為3級,均符合技術要求。據GB/T9450-2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》,用DHV-1000顯微維氏硬度計對齒部測量,表面硬度為62HRC(維氏換算洛氏,下同),芯部硬度為38HRC,符合技術要求,有效硬化層深為2.5mm,超過技術要求。

                圖3 齒輪的顯微組織

                2.3斷口微觀形貌及能譜分析

                利用ZEISS-EVO25掃描電鏡觀察圖2c中斷口裂紋源處微觀形貌,見圖4a,可看出裂紋從此處向外發散,對方框區的夾雜物進行能譜分析,見圖4b所示,能譜顯示O、Al、Ca、Mg等元素具有較高的衍射峰。圖4d、圖4e、圖4f分別是對圖4a區域進行Ca、Al、Fe元素的面掃描。

                圖4 斷口的微觀掃描及能譜分析

                可見:裂紋源位置的Ca、Al素較為明亮,表明該元素在裂紋源位置含量較高,而Fe元素面掃描上出現孔洞,說明裂紋源區Fe含量較少,由此可知裂紋源處是O、Al、Ca、Mg組成的非金屬夾雜物。這會破壞基體組織的連續性,形成應力集中,惡化力學性能[3]。圖4a中的橢圓形區域是正常斷口(非裂紋源區)區,對其進行能譜分析,見圖4c,該區化學元素質量分數為:Fe91.4%、C3.9%、O1.8%、Cr1.2%、Mg0.7%,沒有Al、Na其他雜質元素,均是正常合金元素,說明該處材料正常。

                03 分析與討論

                對減速機齒輪進行檢測,其材料成分、金相組織、表面硬度符合技術要求,導致齒部出現開裂的主要因素為:

                (1)淬硬層深超過技術要求,齒輪經滲碳以后,其齒部是含碳量較高的過共析鋼,芯部仍然是亞共析鋼,在油中進行淬火冷卻時,表層首先冷卻,芯部次之,當溫度冷卻到馬氏體轉變溫度Ms時,表層首先轉變成馬氏體,體積增加,表層材料有向外“膨脹”的趨勢,這會對芯部材料形成“拖拽”作用,導致芯部受到拉應力,此時表層材料受到向內的壓應力。芯部材料含碳量較低而有較高的馬氏體轉變終了溫度Mf,隨著冷卻的進行,當溫度低于芯部馬氏體轉變終了溫度Mf時,芯部組織停止轉變,表層材料含碳量較高,有較低的馬氏體轉變終了溫度Mf,在室溫下會繼續轉變,這會導致表層向外漲大的趨勢會一直進行,芯部受到的拉力會逐漸增加[4];齒部有效硬化層越深,這種應力效應越明顯,這是導致齒輪從芯部開裂的第1個原因。

                (2)經掃描電鏡分析,裂紋源位于齒的內部,且有較多的O、Al、Ca、Na等元素組成的非金屬夾雜物[5],這些夾雜物硬度較高,比如Al2O3,其莫氏硬度為9,幾乎沒有塑性;這些硬度較高的非金屬夾雜物會破壞基體組織的一致性和連續性,在受到外力作用時,高硬度的夾雜物顆粒不產生變形,其顆粒尖角會對基體組織產生強烈的“切割”作用,這會在夾雜物周圍產生高度的應力集中形成裂紋源[6],再加上內部受到較大的拉應力,導致裂紋從內部擴展,這是開裂的第2個原因。

                綜上可知,齒輪開裂原因首先是有效硬化層過深,其次是材料芯部有夾雜物。經過對熱處理工藝進行追溯,發現齒輪進行了混裝拼爐,導致滲碳時間過長,改進措施是不允許拼爐混裝。另外,發現供應商為了降低成本,把本該用特鋼的材料換成普鋼材料,導致夾雜物增多,造成早期失效,改進措施是指定特鋼公司,不允許隨意更換材料。經過采取上述措施,改進后齒輪的滲碳層組織為2級M針+A殘,硬化層深度為1.9mm,夾雜物評定為1.5級,均符合技術要求,徹底解決了齒輪的開裂問題。

                04 結論

                (1)齒輪的化學成分符合20CrMnMo鋼,硬度和顯微組織符合技術要求,但有效硬化層深2.5mm超過了技術要求(1.8~2.1mm)。經掃描電鏡分析,裂紋源位于斷口內部且有較多的O、Al、Ca、Mg等組成的非金屬夾雜物。

                (2)首先,齒輪的硬化層深超過了技術要求,這會導致芯部受到較大的拉應力;其次,齒輪的基體中含有較多的O、Al、Ca、Mg等非金屬夾雜物,這些夾雜物割裂基體,容易產生應力集中,是導致開裂的第2個因素;2個因素的綜合作用,導致了齒部出現了早期開裂。

                (3)有針對性地采取改進措施,首先不允許拼爐混裝,規范熱處理工藝;其次將原材料由普鋼改為特鋼,減少材料中夾雜物。通過上述改進,減速機齒輪再也沒有發生過早期開裂失效,徹底解決了問題。

                本文來自:《材料保護》2019年11月15日

                ?版權所有:大連冶金軸承股份有限公司      ICP: 遼ICP備19002497號-1     技術支持:佰聯軸承網
                日本一级婬片日本高清视频一_色婷婷综合缴情综_免费无码黄动漫在线观看犹物影视_日本高清视频wwweee
                <dd id="iaftd"></dd>

                <progress id="iaftd"></progress>

                <th id="iaftd"><big id="iaftd"></big></th>
              1. <tbody id="iaftd"></tbody>
                  1. <dd id="iaftd"></dd>