立磨在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，減速器行星齒輪經(jīng)常出現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)振動(dòng)，導(dǎo)致齒面損壞，嚴(yán)重影響立磨的綜合性能。洛礦廠等單位早在 20 世紀(jì)八十年代就聯(lián)合引進(jìn)了當(dāng)時(shí)世界上行業(yè)領(lǐng)先的德國(guó)公司的相關(guān)技術(shù)，在硬齒面和中硬齒面齒輪的設(shè)計(jì)制造方面取得了一系列的成果，產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造技術(shù)日臻完善。近十余年以來(lái)，包括立磨減速器在內(nèi)的不少國(guó)內(nèi)大型齒輪傳動(dòng)產(chǎn)品已經(jīng)替代進(jìn)口，達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平。產(chǎn)品使用過(guò)程中出現(xiàn)的具體問(wèn)題，需認(rèn)真、細(xì)致地分析，才可能找到問(wèn)題的癥結(jié)所在，提出相應(yīng)對(duì)策，從而促進(jìn)產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)步。
齒面剝落是齒輪常見(jiàn)的失效形式之一，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)齒輪的失效形式進(jìn)行了研究。候?qū)W勤等人從輪齒斷裂失效的類(lèi)型、特征、原因及預(yù)防措施等方面進(jìn)行了闡述;王德寶等人從齒輪的化學(xué)成分、金相組織、宏觀和顯微硬度及斷口形貌等方面進(jìn)行了檢驗(yàn)分析;王金星等人從硬度方面分析得出了過(guò)厚的脆性硬化層是導(dǎo)致太陽(yáng)輪齒面剝落的主要原因;張俊華等人從齒面疲勞點(diǎn)蝕方面分析了影響齒面剝落的因素及相應(yīng)的預(yù)防措施;陳睿等人通過(guò)能譜成分分析、金相組織檢查及硬度檢測(cè)等方法對(duì)齒輪表面進(jìn)行分析，得出局部應(yīng)力過(guò)大是導(dǎo)致輪齒剝落的主要原因。
一、概述
某公司生產(chǎn)的大型立磨減速機(jī)拆機(jī)后發(fā)現(xiàn)，在行星輪齒面上存在剝落現(xiàn)象。該行星輪輪齒數(shù)量為 28 個(gè)，模數(shù)為 22;材質(zhì)為 17Cr2Ni2Mo，經(jīng)滲碳淬火處理后，有效硬化層為 3.5～4.8 mm，齒面硬度為 60HRC，芯部硬度≥35HRC。為確定行星輪齒面剝落的原因，分別對(duì)該行星輪剝落齒和正常齒取樣，通過(guò)宏觀分析、低倍分析、化學(xué)成分分析、顯微硬度檢測(cè)、力學(xué)性能檢測(cè)、金相分析、微觀斷口分析及 X 射線殘余應(yīng)力分析等檢測(cè)手段對(duì)剝落原因進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的預(yù)防策略。
二、試驗(yàn)結(jié)果與分析
宏觀分析
該行星輪齒面剝落情況如圖 1 所示。在行星輪其中 1 個(gè)齒面上，靠近齒根位置存在一處長(zhǎng)度約 60 mm、寬度約 3～8 mm、深度約 2 mm 的剝落坑，該剝落坑沿齒寬和磨削方向進(jìn)行擴(kuò)展。另外現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該行星輪其他輪齒工作面上加工刀痕清晰可見(jiàn)，未見(jiàn)明顯異常，且經(jīng)著色探傷，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷。
低倍分析
將剝落齒及相鄰位置輪齒采用線切割方式整體取樣，磨光后使用 1∶1 鹽酸水溶液電解腐蝕后檢驗(yàn)，剝落齒及相鄰輪齒齒面低倍形貌如圖 2 所示。由圖 2 可知，剝落齒和正常齒的齒面在近齒根位置都有龜狀裂紋分布，范圍都分布于齒根向上約 13 mm 的范圍內(nèi)，且沿齒寬方向通長(zhǎng)分布;剝落區(qū)域完全分布在有裂紋的區(qū)域內(nèi)，可見(jiàn)齒面剝落的產(chǎn)生與所在區(qū)域的裂紋密切相關(guān)。
化學(xué)成分分析
對(duì)該行星輪剝落齒的心部取樣，分析其化學(xué)成分，結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn) JB/ T 6396—2006《大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件技術(shù)條件》的要求。檢測(cè)結(jié)果如表 1 所列。
微觀斷口分析
在輪齒剝落位置取樣，使用 EVO-18 型掃描電子顯微鏡觀察剝落位置的斷口形貌。剝落位置沿晶斷口形貌，如圖 3 所示;剝落斷口上開(kāi)裂較早的位置因受擠壓的作用形成摩擦痕跡，如圖 4 所示;同時(shí)也發(fā)現(xiàn)受齒輪循環(huán)載荷影響形成的疲勞擴(kuò)展條紋，如圖 5 所示。分析認(rèn)為，該輪齒區(qū)域的剝落層是在行星輪運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的，在斷口上未發(fā)現(xiàn)明顯的冶金缺陷。
金相分析
在行星輪齒面剝落位置和正常位置切取金相試樣，磨制拋光后，依據(jù) GB/ T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢測(cè)法》對(duì)其非金屬夾雜物進(jìn)行檢測(cè)評(píng)級(jí)。非金屬夾雜物形貌如圖 6 所示，評(píng)級(jí)結(jié)果如表 2 所列，符合該行星輪圖紙技術(shù)要求。
經(jīng) 4% 硝酸酒精溶液腐蝕后觀察，齒面含裂紋區(qū)域的表層組織異常，顏色顯示較深，裂紋走向與顏色異常區(qū)域形狀相關(guān)聯(lián)，如圖 7 所示。顏色正常位置的金相組織主要為隱針回火馬氏體，如圖 8 所示，顯微硬度為 710HV1;顏色異常位置的金相組織主要為回火屈氏體，如圖 9 所示，顯微硬度值為 540HV1，表明齒面上該區(qū)域發(fā)生了磨削回火燒傷現(xiàn)象。
輪齒心部組織為低碳馬氏體+貝氏體，晶粒度為 7 級(jí)，未發(fā)現(xiàn)不良組織，如圖 10 所示。
硬度梯度檢測(cè)
在齒面靠近齒根的剝落區(qū)域和正常區(qū)域，使用 HVS-1000A 型維氏硬度計(jì)檢測(cè)其硬度梯度，其硬度梯度曲線如圖 11 所示。結(jié)果顯示：該行星輪齒面有效硬化層深度為 4.2 mm，符合圖紙技術(shù)要求;靠近齒根的剝落區(qū)域齒面表層約 1.0 mm 范圍內(nèi)較正常齒面 硬度明顯降低。
力學(xué)性能檢測(cè)
行星輪力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果如表 3 所列。行星輪各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均符合圖紙技術(shù)要求。
殘余應(yīng)力檢測(cè)
采用 XStress3000 型 X 射線應(yīng)力分析儀對(duì)齒輪裂紋處和裂紋附近表面及內(nèi)部進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果如表 4 所列。由表 4 可以看出，磨削燒傷位置表面壓應(yīng)力較正常位置顯著減小，且隨著距表面深度的增加，滲層內(nèi)的殘余應(yīng)力變成拉應(yīng)力并逐漸增加。
三、分析與討論
通過(guò)以上理化檢驗(yàn)分析可知，該行星輪化學(xué)成分、力學(xué)性能、有效硬化層深度等各項(xiàng)理化檢測(cè)數(shù)據(jù)均符合相關(guān)圖紙技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)要求。
低倍分析結(jié)果顯示，剝落齒和相鄰齒在近齒根位置都有龜狀裂紋分布，發(fā)生在齒面根部向上約 13 mm 的范圍內(nèi)，沿齒寬通長(zhǎng)分布;且在這一區(qū)域內(nèi)，金相分析結(jié)果顯示齒面存在回火燒傷情況;條狀剝落區(qū)的邊緣與燒傷區(qū)域邊緣幾乎一致。
齒面宏觀分析結(jié)果顯示，所有輪齒工作面上沒(méi)有明顯的磨損情況，齒面的加工刀痕清晰可見(jiàn)，可以排除齒面在嚙合過(guò)程中因劇烈摩擦升溫而產(chǎn)生組織轉(zhuǎn)變。因此，判定該行星輪齒面的回火燒傷情況為行星輪在生產(chǎn)制造過(guò)程中的磨削回火燒傷。
正常情況下，滲碳齒輪在經(jīng)過(guò)噴丸處理，其表面滲層內(nèi)的殘余應(yīng)力應(yīng)為壓應(yīng)力。而對(duì)剝落輪齒的殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果顯示，磨削燒傷位置的表面壓應(yīng)力較正常位置顯著減小，且隨著距表面深度的增加，滲層內(nèi)的殘余應(yīng)力變成拉應(yīng)力并逐漸增加。這是由于磨削回火燒傷使得滲層內(nèi)的回火馬氏體發(fā)生高溫回火分解，導(dǎo)致回火區(qū)域硬度降低、原始應(yīng)力釋放，同時(shí)回火區(qū)域的體積收縮，從而在回火區(qū)域及其周邊產(chǎn)生拉應(yīng)力，兩相疊加后表面壓應(yīng)力減小或變成拉應(yīng)力。進(jìn)而導(dǎo)致齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，在接觸應(yīng)力的作用下，齒面次表層的拉應(yīng)力超過(guò)齒輪的強(qiáng)度極限和接觸疲勞極限而產(chǎn)生初始裂紋。隨著裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致齒面在燒傷區(qū)域發(fā)生剝落。
綜合以上分析認(rèn)為，該行星輪在齒面靠近齒根部區(qū)域發(fā)生了磨削燒傷，齒面磨削燒傷導(dǎo)致齒面組織改變、硬度降低，且齒面次表層產(chǎn)生拉應(yīng)力，嚴(yán)重降低了輪齒的承載能力，使齒輪在嚙合過(guò)程中形成疲勞擴(kuò)展，從而過(guò)早發(fā)生齒面剝落。
四、預(yù)防對(duì)策
鑒于齒輪磨削燒傷問(wèn)題對(duì)齒輪正常服役和壽命的嚴(yán)重影響，需要對(duì)燒傷齒輪予以及時(shí)地甄別和篩選。文獻(xiàn)介紹了多種檢測(cè)齒輪磨削燒傷的檢測(cè)方法，其中磁彈法可以在工業(yè)生產(chǎn)中無(wú)損、快速、簡(jiǎn)單、便捷地檢測(cè)齒輪磨削燒傷。磁彈法檢測(cè)磨削燒傷的原理是，鐵磁性材料的顯微組織和殘余應(yīng)力發(fā)生改變會(huì)影響材料的巴克豪森噪聲。需要注意的是，在生產(chǎn)實(shí)踐中使用磁彈法檢測(cè)磨削燒傷時(shí)，首先需要針對(duì)所檢測(cè)的產(chǎn)品材料，制作一組標(biāo)準(zhǔn)試樣，并在試驗(yàn)出最佳磁化電壓后，確定磨削燒傷臨界值作為判定依據(jù)。目前，國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)針對(duì)微磁技術(shù)做了大量研究，研制了微磁無(wú)損檢測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)滲碳齒輪齒面在線磨削燒傷檢測(cè)，如圖 12 所示。
五、結(jié)論
(1) 該行星輪齒面存在磨削燒傷現(xiàn)象，這是導(dǎo)致立磨減速器行星輪齒面剝落的主要原因。
(2) 齒面磨削燒傷導(dǎo)致齒面組織改變、硬度降低，且其次表層產(chǎn)生拉應(yīng)力，嚴(yán)重降低輪齒的承載能力，使齒輪在嚙合過(guò)程中形成疲勞擴(kuò)展，從而過(guò)早發(fā)生齒面剝落損傷。
(3) 鑒于磨削燒傷對(duì)齒輪壽命的影響，建議采用微磁無(wú)損檢測(cè)儀對(duì)燒傷齒輪進(jìn)行甄別和篩選，避免使用過(guò)程中因磨削燒傷導(dǎo)致齒輪早期失效。
參考文獻(xiàn)略.