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航空齿轮齿面失效分析
(北京科技大学机械工程学院，北京 100083) 边新孝 张君彩 谈嘉祯
摘
要：对航空用16NCD13钢渗碳淬火齿轮进行了化学成分、金相组织分析，对该材料齿轮进行了齿面接触疲劳实验，通过电子显微镜观察齿面失效形貌，并分析失效形成的原因和发展规律。
关键词：航空齿轮；齿面失效
为提高我国飞机传动系统承载能力和可靠性，航空齿轮不断采用一些高强度的新材料。通过对新型航空齿轮材料16NCD13齿面失效的形成、发展规律进行分析，对提高飞机传动系统安全可靠性具有重要意义。
1 齿轮材料的化学成分、金相组织
材料16NCD13的化学成分
C：0.12%～0.17%；Mn：0.3%～0.6%；Si：0.15%～0.4%；Cr：0.8%～1.10%；Ni：3.0%～3.5%；Mo：0.2%～0.3%；S≤0.01%；P≤0.015%；Cu≤0.35%。该试验齿轮的热处理工艺为渗碳淬火、低温回火。渗碳深度—显微硬度曲线见图1。轮齿表面、过度区和心部的金相组织分别是晶粒最细的隐晶马氏体、晶粒较粗的马氏体、晶粒最大的马氏体。见图2～图4。
图1 齿面显微硬度曲线
图2 齿面金相组织
图3 过度区金相组织
图4 心部金相组织
2 齿面失效分析
2.1 胶合
齿顶发生轻微胶合，见图5。通过40对齿轮试验，发生胶合时，功率P与润滑油的粘度η和小齿轮转速之积ηn1之间的关系见图6。
图5 齿顶轻微胶合
图6 P—曲线
节线附近的胶合对微裂纹的形成和扩展有促进作用。齿顶和齿根部的轻微胶合不影响齿轮的正常运行，只需经过一段时间跑合后，润滑良好，这种损伤就会停止。
2.2 点蚀和剥落
在润滑良好的状态下容易形成点蚀。齿面在啮合过程中，由于压力和摩擦力的作用，在齿顶和齿根部位产生平行于节线方向的疲劳微裂纹，如图7所示。微裂纹在润滑油的膨胀挤压下，微裂纹扩展并连接在一起，形成点蚀坑。对硬齿面齿轮，齿面硬度较高，点蚀坑的边沿被压溃，点蚀坑的扩展形成剥落，即破碎型剥落，见图8，这是第一种形式。第二，由于硬齿面齿轮齿面与芯部硬度不同，在过渡区疲劳微裂纹平行于齿面方向扩展，裂纹在润滑油的膨胀挤压下裂纹“浮”出齿面，形成块状剥落，见图9。从图9可以看出疲劳源和疲劳过程。剥落的第三种形式是连续型剥落，即多个点蚀坑连成一片，见图10。
图7 平行的疲劳裂纹
200×
图8 破碎型剥落
130×
图9 疲劳扩展过程
150×
图10 连续型剥落
500×
故点蚀和剥落的主要区别在于，①软齿面齿轮一般不发生剥落。②点蚀坑边缘一般较平整，而剥落坑边缘一般不平整。③剥落坑底部一般有贝纹线。④剥落坑的尺寸比较大。
3 结果分析
由以上的观察结果，可得到以下几点结论：
①硬齿面齿轮齿面损伤，基本上有两种形式，当接触应力较低时，一般在主动轮节线偏下出现点蚀，接触应力越小，点蚀扩展速度越慢；当中、高应力水平时，一般在节线偏下位置出现剥落，一旦小剥落坑出现，剥落发展很快，达到失效标准。
②产生点蚀和剥落的根本原因是微裂纹。齿面上一出现麻点，就标志着微点蚀和微裂纹的出现。因此，疲劳极限应力的循环次数不出现麻点为宜（航空齿轮）。正由于齿面失效的根源是微裂纹，故预妨齿面失效的措施即预妨微裂纹的产生，下面几种轻宽情况能加速微裂纹的产生。
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齿面粗糙度 在显微镜下，齿面为凸凹不平的峰和谷。这就是产生微裂纹的应力集中源。故齿轮的跑合是必要的。
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润滑 本实验表明，对高速重载齿轮，齿面间压力大，瞬时温度高，润滑效果差，容易形成胶合。即使产生轻微胶合，也就是说齿面产生了微裂纹，故喷油润滑和浸油润滑有利于齿面油膜形成，对避免胶合有利。
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齿轮安装精度 若安装精度不高，齿面偏载，齿面局部接触应力高处容易产生微裂纹。
③分析了点蚀的形成机理和形成剥落的三种形式：破碎型剥落、块状剥落和连续型剥落。
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