振动压路机驱动桥齿轮的失效分析

唐大放，张永忠，孙　智

(中国矿业大学机电与材料工程学院，江苏徐州　221008)

摘  要：结合现场实例，进行了振动压路机驱动桥弧齿准双曲面齿轮早期失效分析和热处理技术评价。分析表明轮齿的共渗层和心部组织不良以及渗层硬度分布不合理是齿轮副早期失效的主要原因，并提出了保证齿轮质量的热处理工艺措施。

关键词：失效分析；准双曲面齿轮；驱动桥；振动压路机

　  对振动压路机驱动桥4对弧齿准双曲面齿轮的早期失效进行了全面分析。对早期失效齿轮的金相组织进行微观检查，并对现有技术条件、热处理工艺进行了研究，查找齿轮失效的原因，提出减小热处理畸变及保证热处理质量的技术措施，以提高工程机械中驱动桥的使用寿命。下面以其中的一对齿轮为例，分析了弧齿锥齿轮的失效原因和研究结果。

1　失效分析

　　该对弧齿锥齿轮在YZ10液压振动压路机驱动桥中使用，已运行约400h，失效齿轮的外观形貌如图1所示。从失效齿轮外观可以看出：主动齿轮的齿面出现严重磨损，齿顶磨成刀刃状，有3个轮齿的4处发生深层剥落，即局部发生大块剥落，剥落深度约等于整个硬化层的深度；从动齿轮齿面出现严重磨损，硬化层大部分地方全部磨掉，其磨损程度凹面大于凸面，齿顶硬化层及部分心部金属全部磨去，并有明显的断裂现象。

图1　失效的主动轮(a)和从动轮(b)的照片

对失效的主动齿轮进行检测，表面硬度约60HRC，心部硬度约(36～38)HRC，由显微组织确定的渗层深度约为(0.95～1.00)mm，均符合技术要求。对渗层的金相组织进行分析可知：共渗表层为密集带状的碳氮化合物，深度约为0.05mm，次层为针状马氏体和少量的残留奥氏体，无非马氏体的不良组织，表层的金相组织如图2a所示；轮齿心部的金相组织为低碳马氏体，无未溶铁素体，如图2b所示。

图2　主动轮表面共渗层(a)及心部(b)的金相组织　×400

图3　主动轮共渗层的显微硬度分布曲线

用显微硬度计测得的渗层硬度分布曲线如图3所示，表层的碳氮化合物区的硬度很高，次层的少量残留奥氏体未引起硬度的明显降低，整个硬化层的硬度值及分布均良好，有效硬化层深度也较深。按此测定结果所确定的共渗层总深度约1.10mm。综合以上分析，说明主动齿轮热处理质量较好。

对失效从动齿轮的检测可知：表层硬度约60HRC，符合技术要求；心部硬度约(28～29)HRC，低于技术要求的(35～42)HRC；显微组织确定的渗层深度约为0.90mm，符合技术要求。对渗层的金相组织进行分析后可知：共渗表层为密集堆积状的碳氮化合物，分布深度在0.10mm以上，如图4a所示。次层为隐针马氏体组织，再次层为点状及爪状二次碳化物加隐针马氏体和非马氏体组织。整个共渗层看不到针状马氏体和残留奥氏体的痕迹，表明该齿轮的基体中碳氮元素的饱和度不高；轮齿心部的金相组织为低碳马氏体及大量的未溶铁素体，如图4b所示。显微硬度计测得的渗层硬度分布曲线如图5所示。由图可知：除表层碳氮化合物区具有高硬度外，其余区域的硬度值均较低，由表层的高硬度层突然降至很低硬度，而且有效硬化层深度很浅，这样的硬度分布显然是不好的。

图4　从动轮表面共渗层(a)及心部(b)的金相组织　×400

图5　从动轮共渗层的显微硬度分布曲线                图6　从动轮表层碳氮化合物层剥落形貌　×400

　　根据上述分析，可得出该对齿轮的早期失效的原因主要是：从动齿轮的表层有密集堆积状的高硬度碳氮化合物，次表层金属的硬度很低，其支撑能力很差，在重载工作条件下，从动轮表层的碳氮化物层首先剥落(其形貌如图6所示)，较软的基体金属发生快速磨损，直至报废。在此过程中，主动轮也由于啮合状态的恶化，使磨损加剧，直至硬化层减少到不能承受外加负荷时，在齿面接触应力最大的区域引起大块状的硬化层剥落而失效。

　　导致从动轮共渗层质量不良的工艺因素主要是：共渗处理温度偏低，由此而引起共渗表层碳氮化合物的堆积和基体碳氮饱和度的降低；重新加热淬火时的温度偏低，致使心部出现大量的未溶铁素体，进而引起心部硬度的明显降低；在重新加热淬火时，该齿轮的共渗层发生较为明显的脱碳现象，由此引起次表层基体强度的降低。主动齿轮磨损到一定程度后，多处发生的深层剥落失效表明，在啮合状态不良的情况下，即使符合技术要求的主动轮，其硬化层深度也显得不足。

2　热处理工艺分析

在对多例早期失效齿轮的失效分析中，可以得出弧齿准双曲面齿轮失效的主要形式为：主动齿轮的失效为被动失效，主要表现为深层剥落或磨损，在避免从动轮过早失效的前提下，这类齿轮能够保证齿轮副的使用寿命。从动齿轮的失效为主动失效，齿面出现严重磨损和硬化层的大块剥落及断裂，表明渗层的耐磨性和强度不足，引起从动齿轮早期失效的主要原因是共渗层组织状态不良和硬度低。

(1)主动齿轮热处理工艺的评价和分析　该工艺在有利于减小热处理畸变的同时，能够获得具有较高耐磨性和较高的承载能力；表层的碳氮化物的形态不够好，数量相差较大，应严格控制碳氮元素的渗入量，不宜过多；降温扩散及淬火温度力求按上限(830+10℃)控制，或于850℃直接淬火，这有利于增加硬化层深度，防止深层剥落而又不至于造成过量的热处理变形，同时也有利于改善表层的碳氮化合物形态，防止堆积。

(2)从动齿轮热处理工艺的评价和分析　与主动轮的直接淬火不同，从动轮是重新加热淬火，共渗温度为850℃。与常规的渗碳温度(930℃)相比，主要差别是奥氏体的饱和碳含量要低很多，淬火后对应的马氏体的含碳量也很低，因此，所得渗层的耐磨性能和强度指标均有很大差别。现场采用的共渗介质是煤油+液态氨，煤油是长链碳氢化合物，860℃以下不能完全分解，温度越低，分解越不完全，产气量越小，析出的焦油量越多，对获得优良的表层组织不利。在相同的煤油加入量的前提下，温度越低，碳原子向金属内部的扩散越慢，结果造成共渗表层碳原子的堆积和大量的碳黑，使得共渗层的表层组织不易控制。830℃的淬火温度偏低，轮齿心部很难获得像主动齿轮那样的100%低碳马氏体，而出现大量的未溶铁素体。共渗出炉后空冷，将发生脱碳和二次碳化物的析出，重新加热时，特别是保温阶段共渗层中的碳进一步向内部扩散，致使共渗表层及次层奥氏体的含碳量进一步降低，故在随后的压床淬火时易发生早期分解而形成非马氏体组织，导致共渗层中不易产生针状马氏体和残留奥氏体。

3　保证质量的工艺措施

根据前面对弧齿准双曲面齿轮的失效分析和热处理工艺的分析，提出以下几条措施，以确保弧齿准双曲面齿轮的热处理质量。

(1)更新热处理设备，引入可控气氛加热炉取代现行的井式电炉，以便实现无氧化(脱碳)加热及热处理过程的自动控制。

(2)将共渗温度和淬火温度分别提高(10～20)℃，为了防止温度提高后使热处理畸变量增加和脱碳导致硬度不足，可将重新加热淬火的保温时间缩短(10～20)min，同时尽量缩短工件出炉至淬火冷却的时间和共渗时扩散阶段的时间。

(3)严格控制加入介质的质量，如液态氨的含水量、煤油的含硫量等，为控制共渗时的煤油供给量，在系统中可增加一个自动控制的定量装置，以便控制碳势，满足渗碳要求。

(4)齿面渗层的深度对齿轮的使用性能有很大影响，渗层较厚，齿面的接触疲劳强度增加，可以防止渗层剥落，但渗层过深，需要共渗的时间较长，表面压应力下降，表层含碳量增高，淬火后残留奥氏体和大块碳化物增多，导致疲劳强度和冲击韧度降低。

4　结语

通过上述分析可知，导致弧齿准双曲面齿轮早期失效的主要原因是热处理工艺控制不当，氮碳共渗层、过渡区以及心部组织不良，齿轮表层至心部硬度分布不合理，造成了齿轮过早磨损和表层剥落。在此分析基础上提出了保障齿轮热处理质量的工艺措施。按此措施进行处理的齿轮的表层、过渡层和心部组织正常。经过两年多的实际运行，未出现类似的失效现象。