减速机齿轮中失效检测方案(扫描电镜)

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减速机齿轮失效分析 丁 非 (国家不锈钢制品质量监督检验中心，泰州225721) 摘 要： 通过宏观检验、化学成分分析、金相检验、硬度测试、扫描电镜以及能谱分析等方法，对某减速机齿轮断裂原因进行了分析。结果表明，齿轮断裂为接触疲劳断裂，主要是由于断裂部位存在夹渣缺陷。 关键词： 齿轮；接触疲劳；夹渣缺陷 齿轮的使用寿命不仅与材质、热加工及热处理有关，并且与其运行环境密切相关。齿轮在转动时受高的扭转载荷、弯曲载荷和振动载荷，因而在实际使用过程中不可避免会发生失效。 齿轮常见的失效模式有疲劳断裂、冲击过载、表面疲劳以及表面磨损，疲劳是齿轮破坏最主要的形式，裂纹起源于加载一侧根部圆角表面处，且在正常受载情况下基本处于齿轮的中心位置。某减速机厂的减速机在使用过程中某一传动齿轮中的一个轮齿发生失效，齿轮失效部位并不在受力最大的齿根，而在轮齿的中间腰部位置。齿轮材料为 20CrMnMo 钢，齿部要求渗碳淬火处理。 本工作通过对齿轮断齿残片进行宏微观分析，对基体以及裂纹源区进行了化学成分分析，确定了齿轮的失效性质，并对断裂原因进行了分析。 1理化检验 1.1化学成分分析 失效齿轮的化学成分分析结果见表1，表中同时列出了20CrMnMo 钢(GB/T3077-1999)的标准成分。表1数据表明，该齿轮元素含量均符合要求。 表1 齿轮的化学成分(质量分数，%) 元素 C Si Mn Cr Mo 测定值 0.24 0.26 0.91 1.14 0.23 要求值 0.17~0.23 0.17~0.37 0.90~1.20 0.90~1.40 0.20~0.30 1.2组织分析 使用 Axio Observer A1m 蔡迷显微镜对断齿残片显微组织进行分析，图1(a)为渗碳层组织，为针状马氏体和少量残留奥氏体， 以及少量弥散分布的细粒状碳化物；图1(b)为过渡区组织，为马氏体+回火索氏体；图1(c)为心部组织，为回火索氏体+少量上贝氏体+ 少量沿晶界析出的条带状铁素体；图1(d)为裂纹处的显微组织，为回火索氏体，，且裂纹处无明显的脱碳或氧化物出现。 图1齿轮不同部位的显微组织 (a)渗层；(b)过渡区；(c)心部；(d)裂纹 1.3硬度分析 从齿轮表面向心部逐点测定显微硬度，并根据硬度分布曲线确定渗碳层深度，结果见 图2. 图2齿轮的硬度-深度曲线 从图中可以看出，如果以维氏硬度高于 550HV1 为硬化层，则渗碳层深度为1.34，未达 到技术条件规定的精切后齿面硬化层深 1.9~2.1mm的要求。如果将维氏硬度 HV 换算成洛氏硬度 HRC， 齿轮的表面硬度为 58HRC， 低于要求的60~62HRC；试样基体的换算洛氏硬度为35.0~36.5HRC， 符合技术要求规定的30~42HRC。 2断口分析 2.1宏观检查 裂纹的宏观端口形貌如图3所示，齿轮断面参差不齐，边部有很多互补平行的小平面，从这些小平面的贝纹状花样可以看出，齿轮属于疲劳断裂，疲劳裂纹是从齿轮受压工作面向顶部扩展，该区域断口具有明显的接触疲劳断口的形态特征。由于接触疲劳断裂面的近表面区域，，明显收到了挤压损伤，所以从接触疲劳断裂面上已看不出裂纹源的确切位置。 图3齿轮断口的宏观形貌 2.2断口微观检查及能谱分析 将断齿整体超声波清洗后放入蔡司扫描电镜EVO 18 内进行观察。断口的微观形态a) 4所示。起裂区的表层附近!b) |为沿晶断口，且断面不规贝C) 兑明裂纹形成后表面又受到了挤压损伤。略深处的疲劳扩展断口逐渐过渡为穿晶疲劳断口。断面边部瞬断区断口为穿晶断口。 图4齿轮不同部位的断口形貌 (a)裂纹起始区；(b)裂纹扩展区；(c)终断区 如图5所示，在接触疲劳区存在多处块状颗粒物组成区域，该区域在扫描电镜下呈白色，明显区别于基体颜色，与基体间存在空隙，疑似为夹杂缺陷。 图5断口夹杂缺陷 对图5(a)中的夹杂进行能谱分析，结果见表2。齿轮材料为含 Cr、Mo的合金钢，此类夹杂除基体成分外，还含有较多的 A1、O 元素。由此判断应为夹渣材质缺陷，此缺陷明显降低齿轮材料的疲劳抗力，从而最终导致齿轮疲劳断裂。因断口起裂侧边部受到后来的挤压损伤，未观察到裂纹源的确切位置。 表2夹杂缺陷的化学成分(质量分数，%) 元素 O Al S K Ca Si Na Mn Ti 夹杂缺陷 20.69 22.34 1.49 0.96 1.15 1.26 0.94 2.21 2.21 3结论 齿轮理化检验结果表明，齿轮材料的化学成分、渗碳层和基体组织均符合技术要求，但渗层深度及表面硬度没有达到设计要求。断口宏微观分析结果显示，齿轮断口具有明显的接触疲劳的形态特征，可判定为接触疲劳引起的断裂。 在断口发现多处夹杂物，其中富含 Al， O 等疑似炉渣类元素，因此可判定夹渣缺陷是导致齿轮发生接触疲劳断裂的重要原因之一。 通过宏观检验、化学成分分析、金相检验、硬度测试、扫描电镜以及能谱分析等方法，对某减速机齿轮断裂原因进行了分析。结果表明，齿轮断裂为接触疲劳断裂，主要是由于断裂部位存在夹渣缺陷。