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嘉峪檢測網 2019-11-12 16:30
近十年來，隨著軌道交通行業的快速發展，高寒、高速、重載等工況日益復雜化，作為重要傳動件的齒輪失效事故也日益增多。齒輪的失效形式多種多樣，常見的有齒面磨損、點蝕、塑性變形、折齒、疲勞斷裂、偏載、電蝕等。
事故背景
某線路地鐵滲碳鋼齒輪材料為20CrNi2Mo鋼，熱處理工藝為滲碳淬火+低溫回火，服役一段時間后拆檢時發現齒面存在較多點坑狀缺陷。
理化檢驗
1
宏觀分析
宏觀觀察齒輪的齒面未見塑性變形、異常磨損、偏載、斷裂現象，圖1中箭頭所指處為齒面缺陷較為嚴重的齒條。
圖1 齒輪宏觀形貌
經拆解清洗后，從動齒輪的宏觀形貌如圖2所示。
圖2 從動齒輪齒面宏觀形貌
齒面缺陷特征主要表現為以下幾方面：
①整體呈L型或Z型等；
②表面存在明顯的回火特征，局部呈藍色或淡黃色；
③內部呈點坑狀熔融態特征；
④部分缺陷分布于齒頂處，值得注意的是，齒頂在齒輪傳動過程中為非嚙合區；
⑤缺陷周圍齒面磨加工痕跡清晰可見，未見明顯異常；
⑥非缺陷區域齒面完好，未發現偏載、偏磨現象。
主動齒輪的宏觀形貌如圖3所示。
圖3 主動齒輪齒面宏觀形貌
齒面缺陷特征主要表現為兩方面：
①缺陷呈Z型分布，內部呈點坑狀熔融特征且伴有回火色，缺陷周圍齒面形貌完好(I處)；
②齒面局部出現了斑痕類磨損區域(II處)。
值得注意的是，該磨損區與從動齒輪齒面的斑痕位置恰好對應。
2
掃描電鏡分析
對上述從動齒輪和主動齒輪的4處缺陷取樣，使用S-3700N型掃描電鏡進行觀察。可見從動齒輪齒面和齒頂處缺陷均表現為熔融態特征，有云形花樣且熔滴局部呈濺射狀，見圖4和圖5。
圖4 從動齒輪齒面缺陷微觀形貌
圖5 從動齒輪齒頂缺陷微觀形貌
GB/T 3481-1997«齒輪輪齒磨損和損傷術語»指出：“電蝕是由于齒輪嚙合齒面間放射出的電弧或電火花的作用，在齒輪齒面上形成的許多邊緣光滑的小弧坑，有融熔放電特征，齒面有時也會出現較大面積灼傷，其邊緣呈現出回火色。”結合宏觀分析結果可判定，從動齒輪齒面出現了典型的電蝕現象。
圖6 主動齒輪齒面缺陷微觀形貌
主動齒輪斑痕類磨損區微觀形貌呈點狀剝離小坑，坑底比較平滑，具有疲勞磨損特征，見圖7。
圖7 主動齒輪磨損區微觀形貌
這是由于嚙合齒面發生電蝕后，在隨后的運行過程中，缺陷處油膜無法建立，局部發生疲勞破壞所致。
金相檢驗
使用光學顯微鏡對缺陷處試樣進行顯微組織觀察。從動齒輪齒面缺陷處呈凹陷狀，局部存在凸起，表面組織為白亮的淬火馬氏體，次表層回火特征明顯，腐蝕易變色，見圖8。
圖8 從動齒輪齒面缺陷處顯微組織形貌
對其進行硬度測試發現，表層白亮組織硬度約為750HV0.1(62.5HRC)，次表層深色組織硬度為500~600HV0.1(49.5~55.5HRC)，再次表層硬度則回歸正常，約為650HV0.1(58.5HRC)。從動齒輪齒頂附近缺陷處顯微組織特征同上，局部有微裂紋萌生，裂紋深度較淺，僅限于淬火馬氏體范圍內，見圖9。
圖9 從動齒輪齒頂缺陷處顯微組織形貌
主動齒輪齒面缺陷處顯微組織特征也同上，白亮層深度略淺，見圖10。
圖10 主動齒輪齒面缺陷處顯微組織形貌
主動齒輪斑痕磨損區具有疲勞剝離特征，與圖7相吻合，裂紋深度較淺(約10μm)，表面存在很淺(約1μm)的一層白亮組織，見圖11。
圖11 主動齒輪磨損區顯微組織形貌
此外，主、從動齒輪正常部位的檢測結果均滿足相關技術要求。
分析與討論
由上述分析可知，齒輪齒面發生了電蝕，局部油膜無法建立進而導致疲勞磨損。電蝕示意圖見圖12，以齒輪為例，主、從動齒輪在相互嚙合運轉時，電流在其接觸區域內流動，接觸區內的非接觸部分則會擊穿潤滑油膜形成火花放電，極短時間內造成局部受熱熔化，甚至焊接在一起，使得齒面燒傷，形成電弧坑。電蝕不僅會損壞齒輪本身，而且電蝕磨損產生的微粒會導致潤滑劑變質，嚴重影響齒輪的使用壽命。
圖12 電蝕示意圖
存在電蝕并不是導致齒輪快速失效的唯一原因。同樣，齒面失效也不完全是由摩擦磨損造成的。齒輪迅速失效往往是兩者交替復合的結果。電蝕放電后的熔融態金屬在潤滑液激冷作用下形成白亮層，該白亮層為淬火馬氏體，硬度高、脆性大，在摩擦磨損過程中極易萌生顯微裂紋并發生擴展，使得局部金屬脫落。加之電蝕坑區域凸起的部位在反復嚙合中產生金屬微粒，兩者摻雜在潤滑油里構成研磨劑，惡化了潤滑環境，從而加劇齒輪磨損導致其提前失效。
結論及建議
(1)該齒輪發生了電蝕摩擦磨損。齒輪齒面和齒頂的點坑狀缺陷均呈熔融態特征，顯微組織為高硬、高脆的淬火馬氏體，極易萌生顯微裂紋并發生擴展，加之電蝕使得局部油膜無法建立，導致齒輪在循環嚙合作用下發生磨損，并出現了接觸疲勞剝落現象。
(2)建議提高輪齒表面的磨加工精度，避免明顯磨削刀痕的出現；保證主、從動齒輪嚙合面之間充分潤滑；可能通過漏電流的齒輪裝置應嚴格絕緣，并采用合理的接地裝置。
主動齒輪缺陷微觀特征與從動齒輪的相同，見圖6。
來源：曹渝理化檢驗
