分享：钢制齿轮表面点坑状缺陷产生原因分析

摘 要:某２０CrNi２Mo钢制齿轮服役一段时间后,齿面出现了较多点坑状缺陷.采用宏观分 析、扫描电镜分析、金相检验等方法对该齿轮缺陷出现的原因进行了分析.结果表明:齿面及齿顶 凹凸不平的点坑状缺陷均由电蚀所致.电蚀使得局部油膜无法建立,加之电蚀放电后形成高硬、高 脆的淬火马氏体,在循环啮合作用下齿轮发生磨损并出现接触疲劳剥落. 

关键词:齿轮;电蚀;摩擦;磨损;马氏体 

中图分类号:TH１３２．４１ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０７３７Ｇ０４

近十年来,随着轨道交通行业的快速发展,高 寒、高速、重载等工况日益复杂化,作为重要传动件 的齿轮失效事故也日益增多.齿轮的失效形式多种 多样,常见的有齿面磨损、点蚀、塑性变形、折齿、疲 劳断裂、偏载、电蚀等[１Ｇ６].

某线路地铁渗碳钢齿轮材料为２０CrNi２Mo钢, 热处理工艺为渗碳淬火＋低温回火,服役一段时间 后拆检时发现齿面存在较多点坑状缺陷.为查明该 齿轮出现缺陷的原因,笔者对其进行了检验和分析.

１ 理化检验 

１．１ 宏观分析

宏观观察齿轮的齿面未见塑性变形、异常磨损、 偏载、断裂现象,图１中箭头所指处为齿面缺陷较为严重的齿条. 

经拆解清洗后,从动齿轮的宏观形貌如图２所 示.齿面缺陷特征主要表现为以下几方面:①整体 呈 L型或 Z型等;②表面存在明显的回火特征,局 部呈蓝色或淡黄色;③内部呈点坑状熔融态特征;④ 部分缺陷分布于齿顶处,值得注意的是,齿顶在齿轮 传动过程中为非啮合区;⑤缺陷周围齿面磨加工痕 迹清晰可见,未见明显异常;⑥非缺陷区域齿面完好,未发现偏载、偏磨现象. 

主动齿轮的宏观形貌如图３所示.齿面缺陷特 征主要表现为两方面:①缺陷呈 Z 型分布,内部呈 点坑状熔融特征且伴有回火色,缺陷周围齿面形貌 完好(I处);②齿面局部出现了斑痕类磨损区域(II处).值得注意的是,该磨损区与从动齿轮齿面的斑 痕位置恰好对应.

１．２ 扫描电镜分析 

对上述从动齿轮和主动齿轮的４处缺陷取样, 使用SＧ３７００N 型扫描电镜进行观察.可见从动齿 轮齿面和齿顶处缺陷均表现为熔融态特征,有云形 花样且熔滴局部呈溅射状,见 图 ４ 和 图 ５.GB/T ３４８１－１９９７«齿轮轮齿磨损和损伤术语»指出:“电蚀 是由于齿轮啮合齿面间放射出的电弧或电火花的作 用,在齿轮齿面上形成的许多边缘光滑的小弧坑,有 融熔放电特征,齿面有时也会出现较大面积灼伤,其 边缘呈现出回火色.”结合宏观分析结果可判定,从 动齿轮齿面出现了典型的电蚀现象,这与文献[７]所 述电蚀形貌也是吻合的. 

主动齿轮缺陷微观特征与从动齿轮的相同,见 图６.主动齿轮斑痕类磨损区微观形貌呈点状剥离 小坑,坑底比较平滑,具有疲劳磨损特征,见图 ７. 这是由于啮合齿面发生电蚀后,在随后的运行过程 中,缺陷处油膜无法建立,局部发生疲劳破坏所致. 

１．３ 金相检验 

使用光学显微镜对缺陷处试样进行显微组织观察.从动齿轮齿面缺陷处呈凹陷状,局部存在凸起, 表面组织为白亮的淬火马氏体,次表层回火特征明 显,腐蚀易变色,见图８.对其进行硬度测试发现, 表层白亮组织硬度约为７５０HV０．１(６２．５HRC),次 表层深 色 组 织 硬 度 为 ５００~６００ HV０．１(４９．５~ ５５．５HRC),再 次 表 层 硬 度 则 回 归 正 常,约 为 ６５０HV０．１(５８．５HRC).从 动 齿 轮 齿 顶 附 近 缺 陷 处显微组织特征同上,局部有微裂纹萌生,裂纹深度 较浅,仅限于淬火马氏体范围内,见图９.主动齿轮 齿面缺陷处显微组织特征也同上,白亮层深度略浅, 见图１０.主动齿轮斑痕磨损区具有疲劳剥离特征, 与图７相吻合,裂纹深度较浅(约１０μm),表面存在 很浅(约 １μm)的一 层 白 亮 组 织,见 图 １１.此 外, 主、从动齿轮正常部位的检测结果均满足相关技术 要求. 

２ 分析与讨论 

由上述分析可知,齿轮齿面发生了电蚀,局部油 膜无法建立进而导致疲劳磨损.电蚀示意图见图 １２ [８],以齿轮为例,主、从动齿轮在相互啮合运转时, 电流在其接触区域内流动,接触区内的非接触部分 则会击穿润滑油膜形成火花放电,极短时间内造成 局部受热熔化,甚至焊接在一起,使得齿面烧伤,形 成电弧坑.贺泽龙[９]和胡高举[１０]等从不同角度深 入研究了齿面电蚀产生的机理.电蚀不仅会损坏齿轮本身,而且电蚀磨损产生的微粒会导致润滑剂变 质,严重影响齿轮的使用寿命.

存在电蚀并不是导致齿轮快速失效的唯一原因. 同样,齿面失效也不完全是由摩擦磨损造成的.齿轮 迅速失效往往是两者交替复合的结果.电蚀放电后的熔融态金属在润滑液激冷作用下形成白亮层,该白 亮层为淬火马氏体,硬度高、脆性大,在摩擦磨损过程 中极易萌生显微裂纹并发生扩展,使得局部金属脱 落.加之电蚀坑区域凸起的部位在反复啮合中产生 金属微粒,两者掺杂在润滑油里构成研磨剂,恶化了 润滑环境,从而加剧齿轮磨损导致其提前失效. 

３ 结论及建议

(１)该齿轮发生了电蚀摩擦磨损.齿轮齿面和 齿顶的点坑状缺陷均呈熔融态特征,显微组织为高 硬、高脆的淬火马氏体,极易萌生显微裂纹并发生扩 展,加之电蚀使得局部油膜无法建立,导致齿轮在循 环啮合作 用 下 发 生 磨 损,并 出 现 了 接 触 疲 劳 剥 落 现象. 

(２)建议提高轮齿表面的磨加工精度,避免明 显磨削刀痕的出现;保证主、从动齿轮啮合面之间充分润滑;可能通过漏电流的齿轮装置应严格绝缘,并 采用合理的接地装置.

参考文献: 

[１] 王荣．汽车主轴齿轮断裂失效分析[J]．理化检验(物 理分册),２００７,４３(５):２５７Ｇ２５９． 

[２] 徐涛元．齿轮开裂 失 效 分 析 [J]．理 化 检 验 (物 理 分 册),２００９,４５(５):３１５Ｇ３１７． 

[３] 王春亮,杨力,刘乐,等．齿轮的失效分析[J]．理化检 验(物理分册),２００７,４３(７):３６６Ｇ３６９． 

[４] 陈敢泽．齿轮常见的失效形式及预防[J]．中国特种设 备安全,２００８,２４(１０):４６Ｇ４９． 

[５] 龚寄．齿轮失效分析及其故障诊断方法研究[J]．装备 制造技术,２０１６(８):１３８Ｇ１４０． 

[６] 陈亮,吴刚,谭小明,等．大型从动齿轮油槽开裂原因 分析[J]．金属加工(热加工),２０１７(３):１４Ｇ１７． 

[７] 潘紫微,罗铭,朱孝录．齿轮齿面电蚀失效分析[J]．机 械传动,１９９７,２１(３):２６Ｇ２８． 

[８] 汪久根,冯兰兰,李阳．粗糙表面形貌对电蚀的影响 [J]．浙江大学学报(工学版),２０１５(１１):２０２５Ｇ２０３２． 

[９] 贺泽龙,韦云隆,张光辉,等．齿轮齿面电蚀机理[J]． 重庆大学学报,２０００,２３(６):２７Ｇ３０． 

[１０] 胡高举,韦云隆,曹新进,等．齿轮电蚀失效分析[J]． 机械设计与研究,２００１,１７(１):５７Ｇ５８．

<文章来源>材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 55卷 > 10期 (pp:737-740)>