城軌地鐵車輛牽引齒輪滲碳層裂紋失效分析

殷桂明，吳國文，羅志勇

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營事業(yè)總部，廣州 510700)

某城軌地鐵A2型車輛牽引齒輪箱從動(dòng)齒輪(齒數(shù)107，m=5.5，φ650 mm×204 mm)經(jīng)探傷檢測發(fā)現(xiàn)存在批量齒面裂紋故障，在201個(gè)齒輪箱拆解維修過程中，檢查發(fā)現(xiàn)59個(gè)齒面存在裂紋或掉塊問題，裂紋齒輪占比約為29.4%。該型齒輪設(shè)計(jì)壽命為30年，目前齒輪僅到全壽命周期的1/3，批量出現(xiàn)裂紋失效屬于異常情況，影響該型車輛齒輪箱正常維修。為此對該型車輛齒輪進(jìn)行裂紋產(chǎn)生原因分析。

根據(jù)廠家提供的技術(shù)資料，該齒輪材料牌號：18CrNiMo7-6(依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 10084)，該材質(zhì)的齒輪一般加工方法為鍛造、車削、滾齒、鉗工，半成品齒輪表面經(jīng)滲碳、淬火回火等熱處理，再進(jìn)行磨齒，最后磁粉探傷齒輪表面[1]。表面有效滲碳層0.8～1.2 mm，表面硬度:(700+80) HV，化學(xué)成分符合EN 10084的要求，且H≤2.0×10-6,S≤0.025%，P≤0.020%，機(jī)械性能:屈服Rp0.2/Re≥785 MPa，抗拉Rm≥1 080 MPa，延伸率≥11%,斷面收縮率≥40%，室溫沖擊Kv2≥40 J，其余要求(晶粒度、表而金相、心部組織、心部硬度、脫碳層、晶間氧化等)應(yīng)符合DIN 3990中表5的MQ的要求[2]。

1 齒輪檢測及分析

1.1 磁痕分析

該從動(dòng)齒輪裂紋主要出現(xiàn)單側(cè)齒面中部位置，磁粉檢測裂紋磁痕細(xì)長，嚴(yán)重時(shí)存在掉塊現(xiàn)象，裂紋形式呈現(xiàn)多個(gè)齒(各齒均存在1～5條長度不等的裂紋)、集中單側(cè)、均沿齒面接觸線方向延伸(即橫向，與軸中心線方向<20°)等分布形態(tài)，該齒輪也作為后續(xù)，裂紋長度在2～70 mm范圍內(nèi)，但未發(fā)現(xiàn)貫通邊沿的表面裂紋，齒輪典型磁痕狀態(tài)如圖1所示，該齒輪作為后續(xù)裂紋形態(tài)、金相分析和滲透層及硬度檢測的送檢樣件1。失效最為嚴(yán)重的是整圈57個(gè)齒輪存在齒面裂紋或掉塊，其中49個(gè)在同側(cè)、8個(gè)在對側(cè)，齒面掉塊狀態(tài)如圖2所示，該齒輪作為后面的力學(xué)性能測試的送檢樣品。

圖1 齒輪裂紋表面磁痕狀態(tài)(樣件1)

圖2 齒輪掉塊形貌(樣件2)

1.2 材質(zhì)分析

采用委外送檢形式，對送檢齒輪的裂紋部位取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測內(nèi)容元素名稱和結(jié)果如表1所示。

表1 齒輪裂紋位置化學(xué)成分分析結(jié)果

依據(jù)DIN EN 10084-2008標(biāo)準(zhǔn)，檢測結(jié)果顯示，齒輪元素含量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)[2]。

1.3 金相檢查分析

依據(jù)《TB/T 2254-1991》機(jī)車牽引用滲碳淬硬齒輪金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用線切割從樣件1上分解出4個(gè)齒，標(biāo)記為1#、2#、3#、4#，分別對4個(gè)斜齒面裂紋部位進(jìn)行裂紋觀察、裂紋形態(tài)觀測、金相顯微組織分析和滲碳層檢測，其結(jié)果如下。

1.3.1橫向截面裂紋觀察

從橫向截面觀察，裂紋位置為齒面中部，裂紋有的橫向延伸，有的橫向延伸后再縱向擴(kuò)展，形成閉環(huán)，如圖3所示。

圖3 橫向截面裂紋圖

1.3.2裂紋形態(tài)檢測

進(jìn)一步對1#、2#、3#和4#齒輪斷裂位置件進(jìn)行裂紋形態(tài)觀測分析，發(fā)現(xiàn)裂紋從表面開裂沿滲碳層開裂。

從裂紋擴(kuò)展情況看，裂紋從表面開裂，逐漸沿齒面法線方向擴(kuò)展，并伴有分支微裂紋。通過對樣件1上的4個(gè)斜齒的表面裂紋分析可知，其裂紋深度大約分布在0.7～0.9 mm，如圖4所示，并且裂紋在擴(kuò)展至深度約0.7～0.9 mm時(shí)，形成縱向裂紋。在斜齒橫截面發(fā)現(xiàn)枝晶組織，見圖4下方兩圖。

圖4 裂紋形態(tài)觀測、枝晶組織圖

1.3.3裂紋形態(tài)、金相組織分析

(1)裂紋形態(tài)觀測

在樣件2齒輪的掉塊最嚴(yán)重位置(即開裂處剖面)切取5#齒試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋、化學(xué)侵蝕后置于顯微鏡下觀察，5#齒輪開裂處截面拋光態(tài)及侵蝕態(tài)見圖5、圖6，開裂區(qū)為表面可見深度約為363.3 μm，最大寬度約為718.0 μm的剝落區(qū)，剝落區(qū)底部存在一條向內(nèi)擴(kuò)展并逐漸平行于齒輪表面的裂紋，該裂紋最大深度約為1 381.2 μm。裂紋以穿晶方式在表面滲碳區(qū)擴(kuò)展，橫向延伸后再縱向擴(kuò)展形成閉環(huán)，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展可導(dǎo)致掉塊、剝落，如圖6紅圈所示。齒輪表面滲碳區(qū)顯微組織為針狀回火馬氏體。

圖5 5#齒裂紋處截面拋光態(tài)形貌

圖6 5#齒裂紋處截面侵蝕態(tài)形貌

對樣件2的5#齒清洗后置于掃描電鏡(SEM)下觀察，圖7為5#齒齒面剝落區(qū)的SEM形貌，剝落區(qū)可見明顯疲勞輝紋。

圖7 5#齒齒面剝落區(qū)的SEM形貌

(2)金相顯微組織及晶粒度觀測

圖8為5#齒從上到下依次為從滲碳表面到芯部逐漸變化的金相組織照片，放大倍數(shù)為1 000倍。由圖可知，表面到芯部依次為隱針馬氏體、短針馬氏體、針狀馬氏體、板條馬氏體。同時(shí)，對5#齒基體進(jìn)行基體晶粒度觀察檢測，根據(jù)GB/T 6394-2002標(biāo)準(zhǔn)，基體晶粒度約為7.0級，符合技術(shù)要求。

圖8 金相顯微組織圖

1.3.4滲碳層深度測量

對樣件1上8個(gè)齒(包括1個(gè)無裂紋斜齒、1#、2#、 3#、4#及其他3個(gè)單側(cè)有裂紋分別做了滲碳層深度測試，從宏觀照片可以看到，有裂紋的表面均在齒的同一邊，稱為有裂紋邊，在斜齒橫截面上可以明顯看到，有裂紋邊的滲層深度小于無裂紋邊，進(jìn)一步在金相法檢測中得以驗(yàn)證：有裂紋邊滲碳層深度約為1.1 mm，而無裂紋邊滲碳層深度約為1.3 mm，相差0.2 m左右，且8個(gè)齒兩側(cè)滲碳層深度結(jié)果具有高度一致性。同時(shí)，齒輪橫截面邊沿均未見脫碳層。

1.4 滲碳淬火硬化層深度分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9450-2005中滲碳淬火硬化層深度分析方法，進(jìn)一步對斜齒進(jìn)行了維氏硬度梯度測量，該項(xiàng)目檢測了1個(gè)無裂紋斜齒，以及2#、3#兩個(gè)有裂紋齒。無裂紋斜齒的裂紋邊和無裂紋邊(相對于整圈齒輪)的硬度梯度測量結(jié)果如表2和圖9所示，有裂紋齒兩側(cè)硬度梯度具有相似性，采用2#、3#齒的檢測均值制表作圖如表3和圖10。

表2 無裂紋斜齒滲碳淬火硬化層硬度梯度測量結(jié)果

圖9 無裂紋齒輪滲層深度的硬度變化曲線

表3 有裂紋斜齒滲碳淬火硬化層硬度梯度測量結(jié)果

圖10 有裂紋齒輪滲層深度的硬度變化曲線

表2、表3為無裂紋斜齒和有裂紋斜齒滲碳淬火硬化層深度測量結(jié)果，圖9、圖10為對應(yīng)表的曲線圖。由曲線圖可知，其硬度梯度從邊緣至芯部依次減小。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，滲碳淬火硬化層深度(CHD)為從零件表面到維氏硬度值為550 HV處的垂直距離。有裂紋邊硬化層深度CHD約在0.7 mm左右，技術(shù)要求為0.8～1.2 mm，滲碳淬火硬化層不均勻，達(dá)不到設(shè)計(jì)技術(shù)要求，導(dǎo)致該側(cè)齒輪整體強(qiáng)度不能滿足長期運(yùn)行要求，直接影響齒輪的性能和壽命[3]。而無裂紋邊硬化層深度約為0.9 mm，與裂紋邊相差0.2 mm左右。其結(jié)果與金相組織滲碳層深度觀測結(jié)果相吻合。

此外，對其他24個(gè)故障裂紋齒輪表面進(jìn)行洛氏硬度檢測，硬度值主要分布在60 HCR左右，換算成維氏硬度約為697 HV，原廠提供技術(shù)要求表面硬度為(700+80) HV，裂紋側(cè)表面硬度均接近技術(shù)要求下限值。

2 綜合分析

2.1 樣品檢測結(jié)果及分析

齒輪的化學(xué)成分分析結(jié)果表明，符合材料的技術(shù)要求，對樣件基體非金屬夾雜物進(jìn)行評級，檢測基體晶粒度，結(jié)果符合要求。

從齒輪裂紋位置的宏觀和微觀斷口結(jié)果看，裂紋集中在斜齒的同一側(cè)，基本在中部產(chǎn)生細(xì)裂紋。而無裂紋斜齒和主動(dòng)輪斜齒齒面輪廓均比較光滑。裂紋沿齒螺旋方向擴(kuò)展，在深度方向，裂紋深度約0.7～1.3 mm，并且通過裂紋擴(kuò)展圖可以發(fā)現(xiàn)，裂紋擴(kuò)展深度0.7～1.3 mm 左右時(shí)，裂紋開始沿斜齒截面的縱向擴(kuò)展，與另一位置的裂紋形成閉合線，推測這應(yīng)該是后期齒面剝落的軌跡線。

結(jié)合宏觀觀察，從裂紋橫截面位置金相組織來看，發(fā)現(xiàn)有裂紋斜齒在齒面滲碳層上左右兩面存在差異，有裂紋面滲碳層厚度約1.1 mm、無裂紋面滲碳層厚度約1.3 mm，無裂紋斜齒也同樣存在這樣的現(xiàn)象。對比斜齒滲碳淬火硬化層的維氏硬度梯度測量結(jié)果顯示，有裂紋側(cè)硬化層深度CHD在0.7 mm左右，而無裂紋側(cè)約為0.9 mm左右，相差0.2 mm，同時(shí)這一結(jié)果與滲碳層深度金相分析結(jié)果相吻合。經(jīng)測量多個(gè)裂紋側(cè)樣品的有效硬化層深度，平均值約為0.7 mm，沒有達(dá)到原廠提供的技術(shù)要求CHD 0.8～1.2 mm。無裂紋側(cè)有效硬化層深度約0.9 mm，也接近技術(shù)要求的下限值，印證了部分齒輪兩側(cè)均出現(xiàn)齒面裂紋的結(jié)果。結(jié)合斜齒輪的金相組織和滲碳淬火硬化層深度分析結(jié)果表明，故障齒輪有裂紋側(cè)較無裂紋側(cè)有效硬化層面淺約0.2 mm，裂紋側(cè)為0.7 mm。其表面使用狀態(tài)與原廠技術(shù)要求的滲碳淬火表面處理使用狀態(tài)不相符。

結(jié)合上述樣品檢測結(jié)果和分析，推測滲碳層的差異性及滲碳淬火硬化層深度不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致齒輪面局部強(qiáng)度不足，是齒輪產(chǎn)生沿滲碳層開裂的主要原因。在運(yùn)行過程中，傳動(dòng)齒輪表面硬度接近技術(shù)要求下限，齒輪表面強(qiáng)度不足，齒輪裂紋通常只在一次或幾次嚴(yán)重過載時(shí)發(fā)生，由于過載使齒輪所受應(yīng)力超過其極限應(yīng)力，材料表層發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生初始裂紋，長期運(yùn)行擠壓嚴(yán)重時(shí)形成剝落、掉塊損傷[4]。

2.2 原始缺陷產(chǎn)生原因分析

結(jié)合齒輪加工工藝和維修實(shí)際情況，推測齒輪缺陷在原始生產(chǎn)過程中就形成了，可能的原因如下：

齒輪原始生產(chǎn)過程中由于熱處理工藝不合理，導(dǎo)致齒輪兩側(cè)滲碳不均存在差異性，存在有效滲碳淬火硬化層深度不足，屬于原材質(zhì)缺陷，運(yùn)行過程中齒輪表層或次表層最大切應(yīng)力超過材料的極限應(yīng)力，材料表層發(fā)生塑性變形產(chǎn)生裂紋，齒面裂紋長期受疲勞振動(dòng)產(chǎn)生剝落、掉塊失效，致使齒輪疲勞強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)要求或者使用壽命要求。通常情況，齒輪半成品一般經(jīng)滲碳+淬火+低溫回火處理后，再通過磨齒機(jī)進(jìn)行齒面磨削加工為成品[1]。因此，齒輪兩側(cè)有效滲碳深度不一致和深度不足也可能是磨削加工余量不同或過大引起的。

3 結(jié) 論

綜合檢測結(jié)果分析，推測齒輪滲碳層深度過淺不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致齒輪嚙合接觸面強(qiáng)度不足，是地鐵A2型車輛故障齒輪產(chǎn)生沿滲碳層開裂的主要原因。長期運(yùn)行傳遞動(dòng)力載荷時(shí)致使齒輪表面及次表面產(chǎn)生初始疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展、壓碎后剝落，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致斷齒故障，降低了齒輪有效的使用壽命。