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凉水塔4#风机齿轮副崩齿失效分析
胡同庆(洞庭氮肥厂 湖南岳阳414003)
李 智(湘潭大学机械系 湘潭511105)
摘 要：叙述了凉水塔4#风机齿轮副损坏情况。根据对齿轮副化学成分、硬度、渗碳层碳浓度和深度及金相组织分析，确认其损坏原因是主动轮材质不符合设计要求，导致齿轮表面硬度不足，加之齿轮组织中存在脆性夹杂物，降低了构件的强度和塑性，导致齿轮过早的疲劳破坏。
主题词：凉水塔；齿轮副；崩齿；失效分析
1 情况简介
我厂凉水塔4#风机齿轮箱在运行中出现异常响声，停车开盖后，发现主动弧齿锥齿形(以下称主动轮)崩齿损坏严重，从动轮也崩齿三处，造成齿轮副报废，见图1。该设备运行环境比较恶劣，振动大、杂音多(风机、风叶、水泵的转动声及水的流动声等)，水蒸气弥漫整个凉水塔上空50m左右，造成设备操作人员不易观察静听，设备出现小问题不易发现。我厂凉水塔共安装7台风机，设备原系全套进口。该4#风机齿轮副中，从动轮为进口件，主动轮为国产件。国产备件换上仅7个月，就发生了磨损崩齿事故。
图1 齿轮副断齿位置及形貌
图2 主动轮磨损断齿断口
2 检验与分析
2.1 宏观检验
从动轮靠近齿轮内径一端有三处崩齿，齿牙均被打掉一节，断口呈岩石状，其它齿基本保持良好。主动轮轮齿除一齿保持较完整外，其余齿牙都有不同深浅和长短的崩齿破坏，其中有四个齿牙从牙根处整体崩掉，弧齿内侧都有较严重的磨损痕迹。磨损痕迹中有的地方存在小麻点，有的地方已小块剥落。齿轮的大端(沿轴柄的一端)破坏较严重，崩齿断口多数呈石状，有的断口可见明显的疲劳源和疲劳纹，见图2。疲劳源起源于小块剥落处和齿根拐角处，整个齿轮和轴表面均呈黑烟雾熏过的现象。
2.2 齿轮副材质分析
根据设计图纸要求，主动轮材质应为20CrMnTi，而实测结果(见表1)，主动轮材质成分中无Ti元素，其材质成分接近20Cr，所以确认主动轮实际材质为20Cr。而20Cr的淬透性和力学性能远远低于20CrMnTi，根本不能满足高负荷齿轮的使用要求。
2.3 显微观察
显微镜下观察，主动轮齿轮边缘渗碳层组织为回火马氏体+部分屈氏体+网状碳化物(图3)，心部组织为马氏体+部分游离铁素体(图4)。从动轮齿轮边缘渗碳层组织为回火细马氏体+少量碳化物(图5)，心部组织为板条状的低碳回火马氏体(图6)。
图3 主动轮边缘渗碳层组织 400×
图4 主动轮齿中心组织 400×
图5 从动轮边缘渗碳层组织 400×
图6 从动轮齿中心组织 400×
观察结果表明，从动轮组织为该材质通过表面渗碳处理后的正常淬回火组织，而主动轮齿轮边缘的渗碳层组织粗大，且有不正常的屈氏体和网状碳化物存在，这些非正常组织的存在，使齿牙受到冲击负荷时易产生脆性断裂;而心部存在过多的游离铁素体，造成硬度和强度不足，当零件受到较大负荷作用时，也易导致断齿。
2.4 硬度测定
由表2可见，主动轮齿轮表面和心部实际硬度均低于图纸设计要求。所以，主动轮硬度不足是造成该零件磨损崩齿的原因之一。
2.5 渗碳层深度和碳浓度测定
在齿牙的两啮合面和齿顶端表面(1mm)分别取样进行成分分析，结果主动轮轮齿处碳含量为0.82%，从动轮轮齿处碳含量为0.93%。该齿轮副渗碳层碳浓度在0.8%～1.0%之间的正常范围内。图纸要求渗碳层深度在1.2～1.5mm之间。根据原三机部HB5023-77金相标准中测量规定，测得主动轮渗碳层深度为1.8mm，略高于图纸要求;从动轮渗碳层深度为1.3mm，在图纸要求范围内。由于主动轮渗碳层深度偏高，降低了齿根处韧性，以致于齿根处应力集中产生裂纹。
2.6 非金属夹杂物检验
在主动轮和从动轮崩掉的齿牙中各取一纵向试样，经显微观察，从动轮试样中的非金属夹杂物很少，而主动轮试样中存在呈串状且密集的脆性夹杂物(见图7)，该夹杂物的存在降低了金属的强度和塑性，因应力集中导致裂纹的产生，最终导致了齿轮过早的疲劳破坏。
图7 非金属夹杂物形貌(未侵蚀) 100×
图8 主动轮齿轮中裂纹扩展形貌 40×
2.7 主动轮齿轮弧内侧磨损处裂纹分析
在距齿顶端8mm磨损剥落处(即应力最大处)发现一平行齿顶的裂纹，见图8。该裂纹属疲劳引起的穿晶裂纹。
3 结论
综上所述，凉水塔4#风机齿轮副出现磨损崩齿损坏的主要原因是主动轮材质不符合设计要求，造成齿轮表面硬度不够，在服股中，首先齿轮产生磨损，然后小块剥落，加上齿轮材料组织中存在密集的呈串状的脆性夹杂物，降低了构件的强度和塑性，在轮齿根拐角处或小块剥落处产生应力集中，形成疲劳源，随着设备的连续运转，裂纹逐渐扩展最后导致齿轮崩齿破坏。
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