壓縮機齒輪斷齒原因分析

程曉波

阿特拉斯.科普柯（無錫）壓縮機有限公司 江蘇無錫 214028

1 序言

某型號螺桿空壓機運行約2000h，齒輪箱小齒輪斷齒，損壞齒輪如圖1所示。該機型截止目前共發(fā)生兩起該類事件。本文針對該事件，從斷齒斷口、原材料夾雜物、金相等方面入手，結(jié)合齒輪工作過程中受力情況分析其斷裂原因。

圖1 失效齒輪及相應(yīng)斷齒

2 試樣與分析方法

該齒輪加工工藝為：原材料→鍛造→正火→下料→銑齒→鉆孔→倒角→滲碳淬火→粗磨→精磨。

為方便分析返回客戶現(xiàn)場兩臺壓縮機，兩對4個齒輪進行分析，其中一對齒輪出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象（F1大齒輪未發(fā)現(xiàn)斷齒，F(xiàn)2小齒輪發(fā)現(xiàn)斷齒），一對未發(fā)現(xiàn)異常（N1大齒輪未發(fā)現(xiàn)異常，N2小齒輪未發(fā)現(xiàn)異常）。

采用Zeiss Stemi2000 體視顯微鏡觀察斷口，在此基礎(chǔ)上利用SEM斷齒斷面；對F1、F2、N1、N2等4個齒輪相同位置取樣，使用Zeiss Lab A1金相顯微鏡進行金相分析；同時對照技術(shù)要求對材料成分、不同位置硬度及滲碳層深度進行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 成分與性能

參照GB/T 4336—2016測量兩組齒輪成分，結(jié)果見表1，其符合GB/T 3077—2015標(biāo)準(zhǔn)20CrMnMo成分。其中Mn含量稍高于標(biāo)準(zhǔn)值，考慮測量不確定度，認為此結(jié)果可以接受。參照GB/T 9450—2005檢查齒輪滲碳層的有效硬化層深度（CHD）、硬度，測試結(jié)果見表2。對比相應(yīng)技術(shù)要求，齒根有效滲碳層深度超出技術(shù)條件，發(fā)現(xiàn)斷齒齒輪F2根部硬化層深度為0.9mm，超出技術(shù)要求上限50%，為所測4個樣品中滲層最深。樣品N1齒輪齒節(jié)圓處硬度略低于技術(shù)要求。N2表面硬度超出技術(shù)要求2%左右，考慮顯微維氏硬度偏差，認為其可以接受。

表1 齒輪化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 齒輪有效硬化層深度及硬度測試結(jié)果

3.2 金相組織

金相組織分析結(jié)果如圖2所示，其中表層均為隱針馬氏體和殘留奧氏體，殘留奧氏體含量＜10%，未見明顯碳化物。心部組織為低碳馬氏體，未見塊狀鐵素體，滿足相應(yīng)技術(shù)要求。但在對其表層非馬氏體組織檢測時發(fā)現(xiàn)，斷齒根部晶間氧化（IGO）層深0.018mm明顯高于其他3個齒輪，結(jié)果示于圖3及表3。

圖2 金相組織

表 3 IGO 深度

圖3 齒根部位IGO深度

3.3 斷口分析

齒輪斷齒位置可見清晰的放射性條紋，裂紋起始于齒根，如圖4a 所示。裂紋起源位置未見明顯材料缺陷，其呈晶間斷裂形態(tài)，如圖4b所示，在裂紋擴展區(qū)域發(fā)現(xiàn)疲勞輝紋及二次裂紋，如圖4c所示。

圖4 斷齒斷面

4 討論與分析

4.1 晶間氧化層深度對彎曲疲勞的影響

滲碳淬火件理想組織為高碳馬氏體，有資料顯示當(dāng)其含有20%左右殘留奧氏體時，其彎曲疲勞性能最佳[1]。但是由于熱處理時爐內(nèi)氛圍等原因會在零件表面形成晶間氧化，其根本原因為熱處理過程中合金元素的選擇性氧化。李志義等人[2]詳細介紹了非馬氏體的形成原因，涉及爐內(nèi)氣氛、熱處理設(shè)備、處理鋼種和淬火冷卻介質(zhì)等。同時提到部分知名汽車廠商將非馬氏體要求從原來的0.02mm提高到0.003mm，由此可見表面晶間氧化對其疲勞壽命的影響。Takeshi等人[3]研究了滲碳鋼表面內(nèi)氧化和非馬氏體組織對其疲勞性能的影響。J.P.Wise,G.Krauss等人[4]總結(jié)組織對滲碳鋼疲勞性能的影響，提到對于4320鋼，IGO層厚度的降低可以減弱其應(yīng)力集中效應(yīng)，進而將彎曲疲勞極限從1100MPa提高到1500MPa。其文中也提到對于疲勞極限在1000～1300MPa的鋼，由于P在原奧氏體晶界的偏析和晶界形成的滲碳體往往會造成表面單個晶粒或幾個晶粒厚度的原始疲勞裂紋，其屬于晶間斷裂。對于高疲勞極限的鋼大于1400MPa，往往在原奧氏體晶界處形成穿晶裂紋，這是由于其擁有細的奧氏體晶粒度。方中華[5]在談及變速箱齒輪表面非馬氏體組織中提到，當(dāng)非馬氏體層小于0.013mm時，其對疲勞強度影響不大，當(dāng)其大于0.016mm時，可以使零件疲勞強度下降25%左右。

4.2 滲碳層深度對彎曲疲勞壽命的影響

王長健[6]認為滲碳層過深，特別是齒根滲碳層過深將增大齒根的馬氏體脆性，從而導(dǎo)致齒根所承受的彎曲疲勞強度降低，造成齒輪使用過程中斷齒。然而，張民等人[7]基于20CrMnTi滲碳齒輪彎曲疲勞試驗結(jié)果認為在其試驗的滲層深度范圍，齒輪疲勞壽命隨著滲層深度的增加而提高。黃帥等人[8]通過18Cr2Ni2MoVNb滲碳鋼有效滲層在0.55～1.55mm，旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗發(fā)現(xiàn)，其疲勞壽命呈先增高后下降的趨勢，1mm時疲勞性能最好。Kenan Genel[9]認為當(dāng)有效硬化層區(qū)域與整個橫斷面區(qū)域比率（AR）超過0.4時疲勞極限的增幅減緩。筆者認為，滲碳層深度在一定范圍內(nèi)可以提高其彎曲疲勞壽命，當(dāng)其超過一定值時將會使疲勞極限增幅減緩，過深時將會導(dǎo)致疲勞極限降低，其臨界值應(yīng)該和齒輪模數(shù)及實際承受載荷相關(guān)，具體關(guān)系有待進一步研究。

本文中，斷裂齒輪、齒表硬度和心部硬度均達到技術(shù)要求，表層金相組織殘留奧氏體含量也滿足技術(shù)要求中≤20%的要求。但是斷齒根部發(fā)現(xiàn)0.018mm左右的晶間氧化層以及齒根有效滲碳層超過技術(shù)要求50%這兩個問題。斷口分析可以斷定其齒根疲勞裂紋源于齒根，且為沿晶斷裂，這與上述文獻資料中所述內(nèi)容一致，同時查詢GB/T 8539—2000，其對要求較高的齒輪零件表層非馬氏體組織深度也有＜0.012mm 的具體要求。對于滲碳層深度超過技術(shù)要求的問題，經(jīng)計算本文斷裂齒輪，AR接近0.3（齒寬6mm，齒厚50mm，低于上述文獻中提到的0.4，不會造成齒根疲勞極限的降低。綜合以上分析，認為該起斷裂，齒根晶間氧化層過深是其失效的主要原因。

5 結(jié)束語

1）齒輪齒根部位發(fā)現(xiàn)18μm左右晶間氧化層，其會顯著降低齒輪彎曲疲勞極限，影響其疲勞壽命。

2）斷裂位置起始于齒根，開始為晶間斷裂隨后發(fā)展為穿晶斷裂，斷口發(fā)現(xiàn)疲勞斷裂特征。

3）在原有齒輪技術(shù)要求上增加對IGO層深要求：＜0.0012mm。

4）加強滲碳過程控制，控制滲碳層有效深度在技術(shù)要求范圍內(nèi)。