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机车调控齿轮齿牙擦伤原因分析
阎
颖 王
蜜
(大连铁道学院，大连116028)
(大连机车车辆工厂)
摘
要：本文采用宏观、微观分析、金相检验等手段，对机车调控齿轮出现擦伤的原因进行了探讨。认为装配不当，致使齿轮偏载是导致擦伤的主要原因。另外，由于氮化层中存在着脆性相网状ε氮化物，使齿轮在冲击或弯曲载荷作用下，出现沿脆性相开裂乃至剥落现象。
关键词：调控齿轮；失效分析；偏载；网状氮化物
某厂生产的机车柴油机经36h试验后，出现调控齿轮严重擦伤现象。本文对出现这种现象的原因进行了分析。
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分析与检验
1.1 宏观分析
用肉眼观察调控齿轮的擦伤部位，发现主动齿轮牙齿长方凸面小端一侧严重擦伤，同时存在顶角剥落现象。齿长方向凹面靠近大端处也存在擦伤，擦伤程度比小端轻些。从动齿轮的擦伤情况与主动齿轮基本相同，不同之处是齿牙的凸凹面相反。
1.2 微观检验
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采用S-100扫描电镜对调控齿轮进行微观检验，发现主动齿轮牙小端齿角剥落处呈脆性断口，断口形态为河流状解理花样(图1)。在擦伤处的扫描电镜图像中，能看到有开裂的沟槽，在沟槽内存在着大小不一的球形颗粒，这是典型擦伤痕迹的电子图像，见图2。从动齿轮面擦伤处与主动齿轮相同，也呈典型的擦伤特征(图3)。
1.3 金相检验
调控齿轮的材质为38CrMoA钢，热处理工艺为调质+氮化处理。用HV-5型小负荷维氏硬度计对氮化层硬度梯度进行测定，测定所用负荷为4.9N，结果如表1所示。
图1
齿角断口的扫描电镜图像 图2
主动齿轮擦伤处的扫描电镜图像
165×
25kV WD：31mm
189× 25kV WD：3lmm
图3
从动齿轮擦伤处的扫描电镜图像 图4
渗氮层金相组织
354×
25kV WD：27mm 4％硝酸酒精，100×
经硬度梯度测定，在负荷为4.9N时，主、从动齿轮的氮化层深度都为0.25mm。用光学显微镜观察氮化层的金相组织，发现在氮化层中存在着脉状e相。在受力部位的氮化层内存在着沿脉状或网状相扩散的微裂纹，见图4。从动齿轮的金相组织与主动齿轮相同，但齿根处的裂纹较主动齿轮多。
图5、图6为氮化层裂纹处的扫描电镜照片，从照片中可明显地观察到沿脉状和网状￡相扩散的裂纹。
图5
氮化层中的裂纹 图6
氮化层中的裂纹
686×，25kV，WD：5mm
l.20K×，25kV，WD：5mm
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讨论
从调控齿轮的擦伤部位来看，主、从动齿轮的擦伤主要分布在齿顶，这说明齿轮存在着严重的偏载现象，出现偏载的原因可能是由于装配不当而造成的。
从金相组织上看，在氮化层内存在着脉状和网状ε相，这种氮化物一般出现在渗氮浓度特高的氮化层中，在零件尖角处更易形形，加剧晶界的脆性，使得零件在承受冲击或较大弯曲载荷时，沿脆性相处容易出现开裂乃至剥落的现象。在氮化层的金相组织中出现脉状和网状￡相的原因是由于氮化工艺控制不当，或氨气中含水量过高而造成的。
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结论
调控齿轮的失效为严重擦伤所致。根据各项分析造成擦伤的原因主要是：
(1)由于装配不当造成调控齿轮存在严重偏载现象；
(2)氮化质量较差，使得氮化层的金相组织内存在着波纹状和网状￡相，致使氮化层脆性增大，在冲击或较大弯曲载荷作用下，出现擦伤和表层脆性剥落现象。
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