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某尾减齿轮齿面损伤与断齿分析
张卫方，赵爱国，刘高远，李运菊，陶春虎
(北京航空材料研究院，北京
100095)
摘 要：某尾减输出主动齿轮在长试过程中出现齿面损伤和断齿。对断齿齿面的宏观特征、微观形貌、显微组织和渗层深度进行了观察、测试与分析。结果表明，齿面损伤是粘着磨损导致的浅层片状剥落，齿的断裂起源于剥落处，为脆性疲劳断裂。齿轮在运转过程中出现偏载是导致早期失效的主要原因。
关键词：尾减齿轮；粘着磨损；疲劳断裂；失效分析
1 引 言
某尾减输出主动齿轮在长试(扭矩2000N·m，转速2890r/min)过程中，运转54h后发生故障。检查发现，齿面上有不同程度的损伤，损伤部位距齿根约2.0mm，有7个齿在靠大端面出现不同程度的断齿，有9个齿在齿槽凹面底部有不同程度的啃伤。在轴承的接触面靠齿端面一侧有呈圆周的磨损沟痕。该齿轮用18Cr2Ni4WA材料制造，齿表面经渗碳处理，其热处理工艺为调质(860℃×3h淬火+586℃×3h回火)和渗碳(900℃×6。25h)+高温回火(650℃×4h)。后因心部硬度偏高，进行了第二次高温回火(680℃×7h)。为了查找断齿的损伤性质与断裂原因，对损伤齿面和断齿进行了试验分析。
2 试验结果
2.1 宏观检查
尾减输出主动齿轮的外观见图1，该齿轮有14个齿，齿全长70mm。试验齿轮齿面上有不同程度的剥落，图2表明，剥落坑呈焦黄色，形状呈点状、块状，有的已连成片状，并且有一定的深度。靠近大端面剥落较多，有的部位已经剥落至节线以上。
断齿发生在大端面一侧，起源于离齿根一定高度的剥落坑内，断面与径线约成30°，向齿根扩展(图3)。整个断面平坦，放射棱线清晰、粗大，有疲劳弧线，7个断口具有相似的宏观特征，为典型的疲劳断裂。
典型的齿面接触啮合磨痕见图4，明显分为三个区：节线区、节线至齿顶区和节线至齿根区。这三个区均被磨光亮，并且有明显的磨痕，在节线处磨损尤为严重，且齿面上的接触啮合磨痕偏向大端。另外，在轴承接触面靠齿端面一侧有呈圆周分布的磨损沟痕，深浅不一。
图1 尾减主动齿轮的外观形貌
图2 齿面损伤形貌
图3 断齿断口形貌
图4 齿面啮合痕迹
2.2 断口和齿面扫描电镜观察
用扫描电镜对一较大的断口进行观察，断口源区低倍形貌见图5，可见断口起源于剥落损伤处，放射棱线清晰，高度差较大，源区存在氧化龟裂(图6)。
图5 断口源区低倍形貌
图6 源区氧化龟裂形貌
对齿面的啮合痕迹进行观察，齿面上分为三个区(图7)。图8齿面节线处存在许多片状剥落；节线以上的形貌也为片状剥落，并有轻微磨擦痕迹；靠近齿根处齿面上存在大量的细小裂纹(图9)。在节线以下片状剥落周围还可见尚未剥落的裂纹。齿面上的剥落损伤形貌见图10，坑内多呈氧化龟裂形貌。
图7 齿面三区低倍形貌
图8 节线处磨损形貌
图9 齿根处齿面上的微小裂纹
图10 齿面上的剥落形貌
2.3 显微组织分析
距小端约8mm(未啮合处)垂直于齿面制备1#金相试样，距大端约10mm剥落处垂直于齿面制备2#金相试样。未浸蚀检查，两个试样夹杂物很少；2#试样剥落坑内可见裂纹。浸蚀后低倍形貌见图11，1#试样渗层沿齿廓分布，齿根无间断和脱碳现象；2#试样剥落较深，有的已经到渗层过渡区。高倍下观察，渗层内可见轻微网状碳化物，心部组织为回火索氏体，显微组织正常。
图11 渗层低倍形貌 1.5×
2.4 渗层深度检查
对1#试样工作面与非工作面的渗层及齿的心部进行了显微硬度分析，结果见表1。根据HB5493-91《航空钢制件渗碳、碳氮共渗渗层深度测定方法》，取表面至550HV处的垂直距离作为有效硬化层深度，可见该齿工作面有效硬化层约0.75mm，非工作面渗层深度约为0.8mm，与渗层深度技术要求(0.8～1.05mm)相比，该齿有效硬化层深度偏低或偏下限。
3 分析与讨论
3.1 损伤和断裂性质
根据文献的介绍，表面磨损失效有磨粒磨损、粘着(胶合)磨损、腐蚀磨损和冲击磨损等几种模式，从失效齿轮工作面出现磨损的微观特征可知，其磨损的性质不属于磨粒磨损或腐蚀磨损等，而属典型的粘着(胶合)磨损。
齿轮表面在高接触应力反复作用下，会引起表面接触疲劳剥落而造成损伤，其损伤形式有麻点剥落、浅层剥落和硬化层剥落三种。由于该齿轮上存在大量的剥落，剥落呈鳞片状特征，且深度较浅(在渗碳层深度以内)，因此属浅层剥落。断裂发生在端面齿根处，可见明显的疲劳台阶和弧线，属脆性疲劳断裂。
3.2 失效原因
齿轮的金相组织正常，工作面渗层深度略低于技术要求下限，表层硬度(靠齿面0.1mm处)相当于58HRC，心部硬度相当于43HRC，符合技术标准要求。该齿轮的损伤和断裂失效与其材质和冶金质量无直接关系。
从齿轮齿面的接触啮合痕明显偏向大端一侧可知，齿轮在工作过程中出现了严重的偏载。由于偏载使齿面接触应力过大，齿面润滑油膜破裂而失去润滑作用，从而产生粘着(胶合)磨损，表面温度升高(存在氧化龟裂特征)，从而导致齿面片状剥落，大量的片状剥落使齿轮工作不平稳，引起冲击载荷，最后部分齿在齿端面处发生疲劳断裂。因此，齿轮在运转过程中出现的偏载是导致早期失效的主要原因。
4 结 论
(1)齿面的损伤性质为粘着(胶合)磨损导致浅层片状剥落。齿的断裂起源于剥落处，是脆性疲劳断裂。
(2)齿轮在运转过程中出现的偏载是导致早期失效的主要原因。
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