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        泰興減速機

        工程機械減速機齒輪失效分析

        發布時間:2020-03-13 10:32:00 點擊:

          泰興減速機專業生產廠家泰強減速機2020年3月13日訊 某工程機械減速機二級行星齒輪發生了失效。為了探究齒輪失效的原因,對失效齒輪進行了解剖。 并采用直讀光譜儀、擺錘式沖擊試驗機、拉伸試驗機、洛氏硬度計、顯微硬度計及金相顯微鏡等設備,進行了成分、組織及力學性能檢測,并對熱處理工藝進行了分析。結果表明:失效齒輪的化學成分滿足 20CrMnTi 材料的要求;失效齒輪心部預備熱處理不合適,強度達不到標準要求;滲碳熱處理使齒面部位達到了硬度及滲碳深度的要求,但滲碳不均勻,齒輪側面硬度達不到要求。齒輪側面硬度低和耐磨性差是失效的主要原因。


           

          關鍵詞:失效齒輪;化學成分;力學性能;組織;熱處理

           

          某工程機械減速機在使用過程中,過早地出現了振動、噪聲等,影響了正常的使用。為了解決這一問題,技術人員對該減速機進行了拆解,發現二級行星齒輪存在齒面磨損及塑性變形的問題。在此情況下,只能更換二級行星輪。為了從根源上解決齒輪失效的問題, 對該失效齒輪進行了一系列的檢驗與分析[1],包括成分分析、金相檢驗、力學性能分析等。

           

          1  試驗方法與設備


          本文以失效齒輪為研究對象,從齒輪材料與性能進行分析,找到齒輪失效的根本原因。檢測試樣的取樣位置應滿足試驗要求,且具有代表性,各試樣的取樣位置如圖 1 所示。

           

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          采用直讀光譜儀對齒輪材料成分進行分析,并與 GB/T3077-1999《合金結構鋼》中 20CrMnTi 材料成分進行對比;采用擺錘式沖擊試驗機檢測材料的沖擊韌性,試樣為 10 mm×10 mm×55 mm 的標準 U型缺口試樣;采用 100 kN 電子拉伸試驗機檢測材料的強度;采用洛氏硬度計與顯微硬度計檢測材料的硬度及有效硬化層深度;采用倒置式金相顯微鏡檢測材料的組織。


          2  試驗結果與分析


          2.1  失效齒輪化學成分分析


          經檢測,失效齒輪的化學成分如表 1 所示,與GB/T3077-1999《合金結構鋼》中20CrMnTi 材料成分進行比對,發現失效齒輪的化學成分達到了要求。

           

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          表1  20CrMnTi 齒輪的化學成分(質量分數,%)

           

          2.2  失效齒輪的力學性能分析


          采用 100 kN 電子拉伸試驗機對試樣進行拉伸試驗,結果見表 2。采用擺錘式沖擊試驗機對試樣進行沖擊韌性試驗(表 2),試樣 1#~3# 為平行試樣。

           

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          表2  失效齒輪力學性能

           

          從表 2 可看出,失效齒輪的抗拉強度為 857.35~938.00MPa,低于標準規定的最低值 1080 MPa;沖擊吸收功為 60.43~68.25J,高于標準規定的最低值 55J,滿足標準要求。


          2.3  失效齒輪硬度分析


          失效齒輪的 表面硬度采用洛氏硬度計進行檢測,檢測位置為齒面及側面,結果見表 3。

           

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          表3 失效齒輪的表面硬度(HRC)


          從表 3 可以看出,失效齒輪的側面硬度較低,低于 58~62 HRC 的硬度要求, 較低的表面硬度是導致齒輪表面磨損的主要原因。


          采用顯微硬度計檢測失效齒輪表面滲碳情況,從齒面至心部的硬度變化曲線如圖 2 所示。 從圖中可知,失效齒輪的有效硬化層深度 CHD 為 1.41mm,達到了滲碳深度要求[2-3]。圖中,從表面至心部,硬度首先增加,然后平穩降低至 450HV1 左右。

           

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          2.4  失效齒輪組織分析

           

          失效齒輪從齒尖至齒心的顯微組織見圖 3。

           

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          圖3  失效齒輪各部位的顯微組織


          該齒輪經過了滲碳處理,根據含碳量的多少,一般將滲碳層分為過共析層、共析層及亞共析層,過共析層碳含量可達 0.8%~1.0%。從圖 3 可知,過共析層主要由灰色針狀馬氏體及少量白色塊狀殘余奧氏體組成;共析層主要由細小短針狀馬氏體及少量殘余奧氏體組成;亞共析層主要由較粗大的透鏡狀馬氏體及少量屈氏體組成;齒心由馬氏體及晶界未溶顆粒狀鐵素體組成。齒心金相組織取樣于齒輪中心線與齒根圓相交處[4-7]。結合齒輪的 CHD 曲線,齒尖到齒心的金相組織能夠滿足硬度要求。齒輪心部位置的顯微組織如圖4 所示。

           

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          從圖 4 可知,心部組織主要由大塊狀鐵素體及索氏體組成,并且組織有一定的偏析,該金相組織的取樣位置為齒輪心部位置處,與拉伸試樣取樣位置一致。

           

          2.5  綜合分析


          一般來說,齒輪加工的工藝路線為[8-11]:鍛造→預備熱處理(正火、退火或調質等)→粗加工(齒形加工)→滲碳→淬火→低溫回火→噴丸→校正花鍵孔→精加工(磨齒)。齒輪毛坯需鍛造,鍛造能夠降低晶粒尺寸,改善毛坯組織性能;預備熱處理主要目的是降低硬度,提高塑性,便于切削加工,細化晶粒,均勻化成分與組織,為后續熱處理做準備。


          對于 20CrMnTi 材料,滲碳熱處理工藝規范一般是先進行 920~950℃正火熱處理,然后在 920~940℃下滲碳處理, 最后 830~870℃油淬及 180~200℃低溫回火。


          失效齒輪心部的強度較低,達不到標準要求,結合該位置的金相組織,發現組織中存在塊狀鐵素體及偏析,導致了材料強度降低。偏析的存在與預備熱處理不合適有關,可以增加預備熱處理的時間或提高溫度。


          失效齒輪側面硬度低,耐磨性較差,這是導致失效的主要原因,結合本文中的分析,表面硬度低,主要是由于在滲碳過程中,滲碳方法不當,滲碳不均勻所致。


          3  結論


          (1)失效齒輪的化學成分滿足 GB/T3077-1999《合金結構鋼》中 20CrMnTi 材料的要求。

          (2)失效齒輪心部由于預備熱處理不合適,強度達不到性能要求。

          (3)滲碳熱處理使齒面部位達到了硬度及滲碳深度的要求,但滲碳不均勻,齒輪側面硬度達不到要求。齒輪側面硬度低,耐磨性較差,這是失效的主要原因。


          作者

          徐工集團工程機械有限公司高端工程機械智能制造國家重點實驗室  王燦

          江蘇徐州工程機械研究院  王燦  馬國   張冬梅

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