油泵主动齿轮及主动轴断裂分析

熊　华，史学芳，毛信孚，王　旗，王茂林

(西安航空动力控制工程有限责任公司，西安　710077)

摘  要：对主动齿轮及主动轴的材料成分、硬度、氮碳共渗层金相组织进行分析，认为主动齿轮及主动轴断裂是零件显微组织不合格，降低了强度、韧性而导致齿轮开裂与壳体卡死，连带引起主动轴断裂。经过多次工艺试验，改进了工艺方法，解决了齿轮断裂故障重复出现的难题。

关键词：主动齿轮；淬火马氏体；残留奥氏体；冰冷处理

　  某军品油泵在试车过程中，转速n=15000r/min，开车约30min，主动轴断裂。停车分解检查，发现主动齿轮自根部裂开，与铝壳体卡死。

主动齿轮及轴用2Cr3WMoV钢制成，齿轮工作面氮碳共渗处理，然后直接于介质中淬火冷却，200～300℃回火，空冷。要求氮碳共渗层深0.2～0.5mm，硬度56～62HRC，基体中心硬度为35～43.5HRC。

1　断裂原因分析

1.1　化学成分检查

对齿轮及主动轴进行材料成分分析，其结果见表1。根据表1结果，齿轮及主动轴的化学成分正常，符合GB2294-95要求。

1.2　油泵壳体

油泵壳体为铝合金铸件，齿轮由主动轴通过销键带动，在壳体的齿轮腔内高速转动。打开齿轮腔，发现齿轮与壳体相对卡死，有一齿顶尖端嵌进壳体内深达0.6mm，另有多个齿尖也不同程度对壳体刮伤，如图1。齿轮上有一个齿自根部裂开，裂纹贯穿到齿轮中间的键槽尖角附近。

图1  壳体齿轮腔内刮痕  ×2　                      图2  主动齿轮及轴断口  ×2

1.3　断口检查

主动轴工作部位是三棱柱形，断裂部位发生严重扭转变形，断口周围有塑性变形特征，断面细而光滑，灰白色，如图2。断裂源区位于三角形断面的三个角上，属过载扭转断裂。主动齿轮裂纹形貌见图2，销键槽内的销子与销键槽壁受力接触部位也有明显的方形压伤痕迹。主动齿轮裂纹由上端面竖直贯穿至下端面，横向由齿根部贯穿至键槽垂直角附近。

对主动齿轮的断口进行扫描观察，裂纹为起源于齿根表面同一直线的多源裂纹，自根部向零件内部基体发展，如图3a。氮碳共渗层扫描形貌呈沿晶断口特征，裂纹沿晶界向基体内发展，晶粒周围有二次显微裂纹，如图3b，晶界上有碳化物集聚，呈白色网状、半网状，包围着晶粒，网状、半网状碳化物增加了晶界的脆性。断口属于脆性断裂。

      (a)裂纹源　×20　　　                    　(b)显微形貌　×2000

图3　主动齿轮断口形貌

1.4　金相检查

取故障件进行金相观察，齿轮工作面共渗层深度为0.27mm，主动轴的三棱柱部位无共渗层，符合设计要求。齿轮共渗层组织：表层白亮的组织为耐腐蚀的淬火马氏体、自回火马氏体及残留奥氏体，心部为铁素体及低碳马氏体，如图4。淬火马氏体在硝酸酒精溶液中不易腐蚀，与残留奥氏体混合共存。自回火马氏体呈针状分布于零件表层及基体内。此类组织是零件共渗后未回火或回火不足造成的。其存在增加了零件的内应力、脆性，降低了材料的韧性。如果此类组织存在于零件中，必定会使零件在使用中过早失效。

图4　主动齿轮共渗层显微组织　×100

1.5　硬度检查

用60kg砝码载荷的洛氏硬度计测量零件中心硬度为45～45.5HRC，用表面洛氏硬度计测共渗层硬度为59.5～61HRC，中心硬度超过设计要求，共渗层硬度偏上限。

2　工艺试验

失效零件在260℃回火2h，回火组织形貌如图5a，回火后，淬火马氏体完全转变为回火马氏体，易腐蚀变黑，呈细针状；少量的残留奥氏体呈不规则的块状零星分布在共渗层内。按HB5022-77要求，残留奥氏体等级为4级，对于航空零件不合格。

经-70℃×30min冷处理后，再进行260℃×2h回火，零星分布的残留奥氏体完全消除，显微组织为回火马氏体，如图5b，按HB5022-77要求，残留奥氏体等级为1级，残留奥氏体含量合格。检查零件的硬度，中心为40～41HRC，共渗层硬度为59～60HRC，符合设计要求。

　　处理同批的5种类型齿轮后重新上试验器运转，按设计要求转速n由15000r/min提高到20000r/min，工作时间4h，无故障发生。分解检查齿轮无裂纹。

    (a)回火组织　×400　                         　(b)冰冷处理后回火组织　×400

图5　新旧工艺组织

3　分析与讨论

齿轮用2Cr3WMoV钢制成，由于合金钢氮碳共渗后很容易空冷淬火，氮碳共渗时温度较高，加热时间长，碳和合金元素溶入奥氏体的量增加，使Ms点下移，随之Mf点移至摄氏零度以下，室温状态下淬火后残留奥氏体量相对较多。淬火后没有回火或回火不足，大量淬火马氏体仍然存在于显微组织中。淬火马氏体是针状组织，马氏体针易形成微裂纹源，从而降低了材料的强度、塑性和韧性。同时，残留奥氏体与淬火马氏体共存，两者组织比容的差异，产生组织应力，在齿根、键槽等应力集中处易产生细小裂纹。氮碳共渗后空冷淬火，容易在晶界形成网状碳化物，此时，应重新加热到奥氏体单相区，短时保温油冷淬火。

使用中，齿轮在转动中受到一定的外加载荷，由于其显微组织不合格，内应力大，首先在应力集中最大的齿根开始萌生裂纹，并在载荷作用下沿晶界向基体内扩展，最终导致齿轮贯穿性开裂。开裂后，齿轮与壳体的配合间隙变小，在齿轮腔中的转动受阻，并与齿轮腔内壁卡死。而主动轴在试验器的带动下仍要高速运转，使主动轴与齿轮间连接的销子两端受压变形，主动轴受过载扭转力矩而扭断。

在通常室温状态的冷却介质中淬火，由于Ms点下移，仍有部分的奥氏体来不及发生由奥氏体向马氏体的组织转变，成为残留奥氏体。而在-70℃冰冷处理时，则覆盖了由奥氏体向马氏体发生相变的起始温度Ms到转变终止温度Mf。奥氏体基本上全部转变成马氏体。这类似淬火状态的马氏体，继之260℃低温回火，转变成回火马氏体，得到正常组织，降低了组织应力，提高了材料的塑性、韧性，硬度也得以改善，增加了零件使用的可靠性。

4　结论

(1) 主动齿轮断裂是齿轮显微组织不合格造成的。

(2) 主动轴由于受过载的外力矩而扭断。

(3) 建议齿轮氮碳共渗后重新加热油冷淬火，冰冷处理，再充分回火。