程曉波

阿特拉斯.科普柯（無錫）壓縮機有限公司 江蘇無錫 214028

1 序言

某型號螺桿空壓機運行約2000h，齒輪箱小齒輪斷齒，損壞齒輪如圖1所示。該機型截止目前共發(fā)生兩起該類事件。本文針對該事件，從斷齒斷口、原材料夾雜物、金相等方面入手，結(jié)合齒輪工作過程中受力情況分析其斷裂原因。

圖1 失效齒輪及相應(yīng)斷齒

2 試樣與分析方法

該齒輪加工工藝為：原材料→鍛造→正火→下料→銑齒→鉆孔→倒角→滲碳淬火→粗磨→精磨。

為方便分析返回客戶現(xiàn)場兩臺壓縮機，兩對4個齒輪進行分析，其中一對齒輪出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象（F1大齒輪未發(fā)現(xiàn)斷齒，F(xiàn)2小齒輪發(fā)現(xiàn)斷齒），一對未發(fā)現(xiàn)異常（N1大齒輪未發(fā)現(xiàn)異常，N2小齒輪未發(fā)現(xiàn)異常）。

采用Zeiss Stemi2000 體視顯微鏡觀察斷口，在此基礎(chǔ)上利用SEM斷齒斷面；對F1、F2、N1、N2等4個齒輪相同位置取樣，使用Zeiss Lab A1金相顯微鏡進行金相分析；同時對照技術(shù)要求對材料成分、不同位置硬度及滲碳層深度進行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 成分與性能

參照GB/T 4336—2016測量兩組齒輪成分，結(jié)果見表1，其符合GB/T 3077—2015標準20CrMnMo成分。其中Mn含量稍高于標準值，考慮測量不確定度，認為此結(jié)果可以接受。參照GB/T 9450—2005檢查齒輪滲碳層的有效硬化層深度（CHD）、硬度，測試結(jié)果見表2。對比相應(yīng)技術(shù)要求，齒根有效滲碳層深度超出技術(shù)條件，發(fā)現(xiàn)斷齒齒輪F2根部硬化層深度為0.9mm，超出技術(shù)要求上限50%，為所測4個樣品中滲層最深。樣品N1齒輪齒節(jié)圓處硬度略低于技術(shù)要求。N2表面硬度超出技術(shù)要求2%左右，考慮顯微維氏硬度偏差，認為其可以接受。

表1 齒輪化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 齒輪有效硬化層深度及硬度測試結(jié)果

3.2 金相組織

金相組織分析結(jié)果如圖2所示，其中表層均為隱針馬氏體和殘留奧氏體，殘留奧氏體含量＜10%，未見明顯碳化物。心部組織為低碳馬氏體，未見塊狀鐵素體，滿足相應(yīng)技術(shù)要求。但在對其表層非馬氏體組織檢測時發(fā)現(xiàn)，斷齒根部晶間氧化（IGO）層深0.018mm明顯高于其他3個齒輪，結(jié)果示于圖3及表3。

圖2 金相組織

表 3 IGO 深度

圖3 齒根部位IGO深度

3.3 斷口分析

齒輪斷齒位置可見清晰的放射性條紋，裂紋起始于齒根，如圖4a 所示。裂紋起源位置未見明顯材料缺陷，其呈晶間斷裂形態(tài)，如圖4b所示，在裂紋擴展區(qū)域發(fā)現(xiàn)疲勞輝紋及二次裂紋，如圖4c所示。

圖4 斷齒斷面

4 討論與分析

4.1 晶間氧化層深度對彎曲疲勞的影響

滲碳淬火件理想組織為高碳馬氏體，有資料顯示當其含有20%左右殘留奧氏體時，其彎曲疲勞性能最佳[1]。但是由于熱處理時爐內(nèi)氛圍等原因會在零件表面形成晶間氧化，其根本原因為熱處理過程中合金元素的選擇性氧化。李志義等人[2]詳細介紹了非馬氏體的形成原因，涉及爐內(nèi)氣氛、熱處理設(shè)備、處理鋼種和淬火冷卻介質(zhì)等。同時提到部分知名汽車廠商將非馬氏體要求從原來的0.02mm提高到0.003mm，由此可見表面晶間氧化對其疲勞壽命的影響。Takeshi等人[3]研究了滲碳鋼表面內(nèi)氧化和非馬氏體組織對其疲勞性能的影響。J.P.Wise,G.Krauss等人[4]總結(jié)組織對滲碳鋼疲勞性能的影響，提到對于4320鋼，IGO層厚度的降低可以減弱其應(yīng)力集中效應(yīng)，進而將彎曲疲勞極限從1100MPa提高到1500MPa。其文中也提到對于疲勞極限在1000～1300MPa的鋼，由于P在原奧氏體晶界的偏析和晶界形成的滲碳體往往會造成表面單個晶?；驇讉€晶粒厚度的原始疲勞裂紋，其屬于晶間斷裂。對于高疲勞極限的鋼大于1400MPa，往往在原奧氏體晶界處形成穿晶裂紋，這是由于其擁有細的奧氏體晶粒度。方中華[5]在談及變速箱齒輪表面非馬氏體組織中提到，當非馬氏體層小于0.013mm時，其對疲勞強度影響不大，當其大于0.016mm時，可以使零件疲勞強度下降25%左右。

4.2 滲碳層深度對彎曲疲勞壽命的影響

王長健[6]認為滲碳層過深，特別是齒根滲碳層過深將增大齒根的馬氏體脆性，從而導致齒根所承受的彎曲疲勞強度降低，造成齒輪使用過程中斷齒。然而，張民等人[7]基于20CrMnTi滲碳齒輪彎曲疲勞試驗結(jié)果認為在其試驗的滲層深度范圍，齒輪疲勞壽命隨著滲層深度的增加而提高。黃帥等人[8]通過18Cr2Ni2MoVNb滲碳鋼有效滲層在0.55～1.55mm，旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗發(fā)現(xiàn)，其疲勞壽命呈先增高后下降的趨勢，1mm時疲勞性能最好。Kenan Genel[9]認為當有效硬化層區(qū)域與整個橫斷面區(qū)域比率（AR）超過0.4時疲勞極限的增幅減緩。筆者認為，滲碳層深度在一定范圍內(nèi)可以提高其彎曲疲勞壽命，當其超過一定值時將會使疲勞極限增幅減緩，過深時將會導致疲勞極限降低，其臨界值應(yīng)該和齒輪模數(shù)及實際承受載荷相關(guān)，具體關(guān)系有待進一步研究。

本文中，斷裂齒輪、齒表硬度和心部硬度均達到技術(shù)要求，表層金相組織殘留奧氏體含量也滿足技術(shù)要求中≤20%的要求。但是斷齒根部發(fā)現(xiàn)0.018mm左右的晶間氧化層以及齒根有效滲碳層超過技術(shù)要求50%這兩個問題。斷口分析可以斷定其齒根疲勞裂紋源于齒根，且為沿晶斷裂，這與上述文獻資料中所述內(nèi)容一致，同時查詢GB/T 8539—2000，其對要求較高的齒輪零件表層非馬氏體組織深度也有＜0.012mm 的具體要求。對于滲碳層深度超過技術(shù)要求的問題，經(jīng)計算本文斷裂齒輪，AR接近0.3（齒寬6mm，齒厚50mm，低于上述文獻中提到的0.4，不會造成齒根疲勞極限的降低。綜合以上分析，認為該起斷裂，齒根晶間氧化層過深是其失效的主要原因。

5 結(jié)束語

1）齒輪齒根部位發(fā)現(xiàn)18μm左右晶間氧化層，其會顯著降低齒輪彎曲疲勞極限，影響其疲勞壽命。

2）斷裂位置起始于齒根，開始為晶間斷裂隨后發(fā)展為穿晶斷裂，斷口發(fā)現(xiàn)疲勞斷裂特征。

3）在原有齒輪技術(shù)要求上增加對IGO層深要求：＜0.0012mm。

4）加強滲碳過程控制，控制滲碳層有效深度在技術(shù)要求范圍內(nèi)。