作者
徐工集团工程机械有限公司高端工程机械智能制造国家重点实验室王灿
江苏徐州工程机械研究院王灿/马国/张冬梅
摘要:某工程机械减速机二级行星齿轮发生了失效。为了探究齿轮失效的原因,对失效齿轮进行了解剖。并采用直读光谱仪、摆锤式冲击试验机、拉伸试验机、洛氏硬度计、显微硬度计及金相显微镜等设备,进行了成分、组织及力学性能检测,并对热处理工艺进行了分析。结果表明:失效齿轮的化学成分满足20CrMnTi材料的要求;失效齿轮心部预备热处理不合适,强度达不到标准要求;渗碳热处理使齿面部位达到了硬度及渗碳深度的要求,但渗碳不均匀,齿轮侧面硬度达不到要求。齿轮侧面硬度低和耐磨性差是失效的主要原因。
关键词:失效齿轮;化学成分;力学性能;组织;热处理
某工程机械减速机在使用过程中,过早地出现了振动、噪声等,影响了正常的使用。为了解决这一问题,技术人员对该减速机进行了拆解,发现二级行星齿轮存在齿面磨损及塑性变形的问题。在此情况下,只能更换二级行星轮。为了从根源上解决齿轮失效的问题,对该失效齿轮进行了一系列的检验与分析[1],包括成分分析、金相检验、力学性能分析等。
1试验方法与设备
本文以失效齿轮为研究对象,从齿轮材料与性能进行分析,找到齿轮失效的根本原因。检测试样的取样位置应满足试验要求,且具有代表性,各试样的取样位置如图1所示。
采用直读光谱仪对齿轮材料成分进行分析,并与GB/T-《合金结构钢》中20CrMnTi材料成分进行对比;采用摆锤式冲击试验机检测材料的冲击韧性,试样为10mm×10mm×55mm的标准U型缺口试样;采用kN电子拉伸试验机检测材料的强度;采用洛氏硬度计与显微硬度计检测材料的硬度及有效硬化层深度;采用倒置式金相显微镜检测材料的组织。
2试验结果与分析
2.1失效齿轮化学成分分析
经检测,失效齿轮的化学成分如表1所示,与GB/T-《合金结构钢》中20CrMnTi材料成分进行比对,发现失效齿轮的化学成分达到了要求。
表CrMnTi齿轮的化学成分(质量分数,%)
2.2失效齿轮的力学性能分析
采用kN电子拉伸试验机对试样进行拉伸试验,结果见表2。采用摆锤式冲击试验机对试样进行冲击韧性试验(表2),试样1#~3#为平行试样。
表2失效齿轮力学性能
从表2可看出,失效齿轮的抗拉强度为.35~.00MPa,低于标准规定的最低值MPa;冲击吸收功为60.43~68.25J,高于标准规定的最低值55J,满足标准要求。
2.3失效齿轮硬度分析
失效齿轮的表面硬度采用洛氏硬度计进行检测,检测位置为齿面及侧面,结果见表3。
表3失效齿轮的表面硬度(HRC)
从表3可以看出,失效齿轮的侧面硬度较低,低于58~62HRC的硬度要求,较低的表面硬度是导致齿轮表面磨损的主要原因。
采用显微硬度计检测失效齿轮表面渗碳情况,从齿面至心部的硬度变化曲线如图2所示。从图中可知,失效齿轮的有效硬化层深度CHD为1.41mm,达到了渗碳深度要求[2-3]。图中,从表面至心部,硬度首先增加,然后平稳降低至HV1左右。
2.4失效齿轮组织分析
失效齿轮从齿尖至齿心的显微组织见图3。
图3失效齿轮各部位的显微组织
该齿轮经过了渗碳处理,根据含碳量的多少,一般将渗碳层分为过共析层、共析层及亚共析层,过共析层碳含量可达0.8%~1.0%。从图3可知,过共析层主要由灰色针状马氏体及少量白色块状残余奥氏体组成;共析层主要由细小短针状马氏体及少量残余奥氏体组成;亚共析层主要由较粗大的透镜状马氏体及少量屈氏体组成;齿心由马氏体及晶界未溶颗粒状铁素体组成。齿心金相组织取样于齿轮中心线与齿根圆相交处[4-7]。结合齿轮的CHD曲线,齿尖到齿心的金相组织能够满足硬度要求。齿轮心部位置的显微组织如图4所示。
从图4可知,心部组织主要由大块状铁素体及索氏体组成,并且组织有一定的偏析,该金相组织的取样位置为齿轮心部位置处,与拉伸试样取样位置一致。
2.5综合分析
一般来说,齿轮加工的工艺路线为[8-11]:锻造→预备热处理(正火、退火或调质等)→粗加工(齿形加工)→渗碳→淬火→低温回火→喷丸→校正花键孔→精加工(磨齿)。齿轮毛坯需锻造,锻造能够降低晶粒尺寸,改善毛坯组织性能;预备热处理主要目的是降低硬度,提高塑性,便于切削加工,细化晶粒,均匀化成分与组织,为后续热处理做准备。
对于20CrMnTi材料,渗碳热处理工艺规范一般是先进行~℃正火热处理,然后在~℃下渗碳处理,最后~℃油淬及~℃低温回火。
失效齿轮心部的强度较低,达不到标准要求,结合该位置的金相组织,发现组织中存在块状铁素体及偏析,导致了材料强度降低。偏析的存在与预备热处理不合适有关,可以增加预备热处理的时间或提高温度。
失效齿轮侧面硬度低,耐磨性较差,这是导致失效的主要原因,结合本文中的分析,表面硬度低,主要是由于在渗碳过程中,渗碳方法不当,渗碳不均匀所致。
3结论
(1)失效齿轮的化学成分满足GB/T-《合金结构钢》中20CrMnTi材料的要求。
(2)失效齿轮心部由于预备热处理不合适,强度达不到性能要求。
(3)渗碳热处理使齿面部位达到了硬度及渗碳深度的要求,但渗碳不均匀,齿轮侧面硬度达不到要求。齿轮侧面硬度低,耐磨性较差,这是失效的主要原因。
end
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