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螺旋伞齿轮断裂分析
高建中
(中国铁道建筑总公司昆明机械厂，昆明 650215)
摘
要：螺旋伞齿轮是动力稳定车动力传递与减速的重要部件，通过对断齿齿牙的常规分析和电子探针分析，首次发现由于渗碳工艺设计不当，会造成渗碳层内出现内氧化，产生高Cr化合物，从而形成疲劳源，最终导致齿轮疲劳失效。该结果的发现对热处理工艺的正确设计，提高齿轮的使用寿命，避免列车颠覆具有重要的指导意义。
关键词：疲劳源；微裂纹；内氧化；高Cr化合物
机械零部件、装置和系统在制造或服役过程中丧失其规定功能不能服役，或不能继续可靠服役的现象，统称为机械失效。美国军用标准M-IL-STD-721B中定义为:失效就是一个产品在预先规定的限度内丧失工作能力[1]。1970年美国材料和测试学会(ASTM)曾作过统计，美国海军每年在工程上因机械产品疲劳失效所造成的可计损失就有3千万美元以上，在1980年12月北京全国机械产品失效分析讨论会对30个失效实例作了经济损失的估算，总加起来损失约3000万元，这也是一个惊人的数字。
中国铁道建筑总公司昆明机械厂生产的14#动力稳定车于1997年10月装配完毕，由牵引车拖挂至乌鲁木齐后，出现齿轮箱漏油，在检查中发现机油里有金属碎末，并从齿轮箱内摸出一个掉落的齿牙，由于该齿轮箱是铁道部某单位生产，现场发现情况的是非专业人士，所以对该失效的现场情况不可能有更深的了解，只能从断齿齿牙进行分析。
1 检验与结果分析
1.1 宏观分析
断口宏观形貌如图1所示，从断口可明显看出是疲劳裂纹引起的断裂。断口明显地分为疲劳源、疲劳扩展区及瞬断区。估计由于疲劳源的形成，缺口处的应力集中，主裂纹首先向两侧扩展，因其较小的临介裂纹尺寸及相对齿牙较高的碳含量组织而出现了平滑的断口表面，随后裂纹向基体内部继续扩展，遇到较大的临介裂纹尺寸和良好的韧性组织结构，而形成凸凹不平的撕裂脊状态，最后裂缝快速扩展而最终断裂。
图1 断齿齿牙宏观形貌
1.2 材质与热处理
解剖断齿进行化学分析和金相分析，结果显示齿轮材料为20Cr2Ni4A，表面经过化学热处理-渗碳处理。
1.3 化学成份分析
在齿牙上取化学分析试样，测试结果列于表1，由表1可见材料的化学成份符合标准要求。
1.4 硬度测试
对齿牙进行硬度测试，渗碳层和心部各测试4点，渗碳层平均值为HRC42，心部平均值为HRC40，渗碳层缺乏足够的硬度。
1.5 金相检验
1)渗碳层深度为1.6mm。
2)渗碳层组织为屈氏体，表面有0.10mm半脱碳层，并在表面至心部0.06mm处出现蛛状及断续网络内氧化组织，见图2。
3)心部组织为细致低碳马氏体+极少量块状铁素体，见图3。
图2 蛛状及断续网络内氧化组织 图3 心部组织
2 电子探针分析
2.1 试验设备及地点
试验设备:日本岛津公司生产的EPMA-8705Q电子探针分析仪。美国TN公司生产的TN-524能谱仪。试验地点:云南省分析测试研究所。
2.2 测试方法
将断损的伞齿轮齿牙断面直接放入电子探针样品室中对样品进行观察，并进行拍照，对敏感部位进行能谱定量分析。
将试样进行磨抛，进行观察，然后经4%的硝酸酒精腐蚀后再观察，并进行拍照及能谱定量分析。
2.3 测试结果
用电子探针对伞齿轮断面宏观观察确认的疲劳源进行观察，在图1深凹处发现放射状条纹，见图4。断口扫描未发现其它异常现象。
在齿轮节圆渗碳层表面约0。06mm处发现蛛状及断续状内氧化组织，网络状组织为黑色，见图5。
图4 断口深凹处放射状条纹
图5 蛛状及断续状内氧化组织
在图4中所示(1)处经电子探针微区能谱定性定量分析为高Cr化合物;(2)处为Cr2Fe化合物，基体(3)处分析结果与齿轮材料相吻合。(1)，(2)，(3)分析结果详见能谱分析结果表2，表3，表4。用电子探针对黑色网状组织进行波谱CrKα，FeKα元素Kα射线面扫描，图象见图6，图7，进一步证实网状组织确为Cr化合物。
图6 白色区域为CrKα分布
图7 白色区域为FeKα分布
3 分析讨论
1)齿牙断口明显地分为疲劳源、疲劳扩展区及瞬断区。经电子探针核查未发现冶金缺陷、微裂纹及其它异常现象。
2)正常的表面渗碳(或C-N共渗)组织应该是马氏体+残留奥氏体或过剩碳化物+马氏体+残留奥氏体，硬度在HRC60左右。但是该齿轮的金相分析结果显示异常，存在着很大差异，这是造成疲劳寿命差的一个原因。
3)在齿轮节圆表面处出现网状内氧化现象与断裂源产生的部位相同，这并不是一个偶然的巧合，它们之间必然存在很大的联系。
4)网状内氧化内高Cr化合物的形成，作者目前在国内外尚未见到有关报道，其形成机理还有待于进一步探讨。
5)对此，可认为是由于齿轮表面内氧化导致疲劳裂纹，裂纹最后快速扩展断裂。其次该齿轮表面层化学热处理后，金相组织及硬度不正常也是降低疲劳寿命的一个主要原因。
6)由于对该齿轮的失效分析，改进了热处理工艺，提高了产品寿命，杜绝了在铁路线上可能发生的一系列事故，对铁路的高速发展有着显著的社会效益和经济效益。
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