行星齿轮失效分析

朱杰武(汉中师范学院物理系，陕西汉中 723000)

摘要：对早期严重失效的行星齿轮进行宏观和微观组织检测对比分析，提出改进措施。

关键词：行星齿轮；网状碳化物；扩展型裂纹

某变速器用户提供变速器早期失效和未失效行星齿轮，要求确定引起早期失效的主要因素，以便明确责任，采取措施，保证行星齿轮正常服役。

1  检测与结果

调查知，该行星齿轮用钢为20Mn2。失效齿轮取样测定成分w(%)为：0.29C，1.70Mn，0.38Si；未失效齿轮取样测定成分w(%)为：0.23C，1.6Mn，0.36Si。热处理工艺技术要求为：轮齿表面渗碳层厚度应为0.9～1.2mm，淬火低温回火后齿表面硬度应为56～58HRC，齿心部硬度为30～45HRC，渗碳表面层不允许出现网状碳化物。宏观并放大(6×)观察，失效轮齿面程度不同的存在剥落掉块，未失效轮齿面光滑；测定失效轮齿表面硬度58～61HRC，未失效轮齿表面硬度为57～58HRC；失效轮齿渗碳层厚度1.5mm，而未失效轮齿渗碳层厚1.0mm。由金相试样观察到，失效轮齿渗碳表层存在明显网状和半网状碳化物(图1)，靠齿心部的回火马氏体和索氏体组织较粗大(图2)，在轮齿剥落掉块处发现扩展型沿晶裂纹(图3)；未失效轮齿渗碳层无网状碳化物(图4)，靠齿心部组织较细小(图5)。

     图1  300×  失效轮齿渗碳层内网状碳化物       图2  400×  失效轮齿靠齿心部的组织

图3  400×  失效轮齿剥落处扩展型裂纹

    图4  400×  未失效轮齿渗碳层正常组织        图5  400×  未失效轮齿心部组织

2  失效分析

检测表明，早期失效轮齿渗碳层存在连续和半连续网状碳化物，这些硬而脆的碳化物分布在原奥氏体晶界上，即分布在马氏体群束区域边界上，大大地降低晶界的强度和塑韧性，使基体在外力作用时由位错运动导致的组织区域间相互协调变形受阻，而位错运动受阻堆集于晶界存在碳化物网处时，仅仅能以形成裂纹的方式降低系统自由能；脆性碳化物愈多，轮齿强塑性愈低而脆性增大，失效轮齿表面硬度高出技术要求上限3HRC，实属硬而脆组织形态[3]，因而该失效轮齿剥落掉块的基本因素之一是渗碳层存在网状碳化物。

在失效轮齿剥落掉块处发现的扩展型裂纹为疲劳裂纹。是因剥落掉块后该部位接触更不平稳，实质上是为更剧烈的冲击式受载，因而使该部位应力集中幅值变化导致微裂纹长大，并沿碳化物连续分布的晶界扩展。失效轮齿实测奥氏体晶粒度约6.2级，已相当粗大，且次表层为粗大回火马氏体。与未失效轮齿组织和渗碳层厚度相对比，表明失效轮齿渗碳层超厚，是因渗碳时间长或温度高所致。是导致失效的又一基本因素。

考察实测20Mn2钢化学成分，可知失效齿轮碳含量超出该类钢标准上限(0.24%)0.05%，直接影响其热处理工艺及参数的控制。因而钢材偏离标准化学成分较多是导致行星齿轮早期失效不可忽视的基本因素之一。

3  防止行星齿轮早期失效的措施

(1)对行星齿轮用钢严格检测，保证其化学成分符合标准，以保证随后热处理工艺及参数有效贯彻；在条件许可时尽可能选择本质细晶粒钢，使渗碳工艺顺利实现技术要求指标。

(2)严格控制渗碳温度和时间，保证技术要求的渗碳层厚度。

(3)提高变速器装配精度以减小运行冲击，改善润滑条件，延长齿轮实际服役疲劳寿命。

变速器用户与制造厂以此分析为依据协商，在各自的工作范围落实上述措施，避免了行星齿轮早期失效。