断齿原因范文

断齿原因范文（精选7篇）

断齿原因 第1篇

由于42Cr Mo钢具有良好的综合力学性能和热处理工艺, 淬透性较好以及具有良好的抗冲击性能, 被广泛应用于齿轮材料。现就一批砖机的减速器齿轮, 材料为42Cr Mo, 运行一段时间后, 发现齿轮轴上的齿被折断。齿轮轴长723mm, 分度圆直径为190mm, 齿顶圆直径为210mm, 为双圆弧齿轮。齿轮的加工工艺为:正火→调质→粗滚齿→表面淬火→精滚齿。硬度要求调质硬度为:HBS240-275, 齿面淬火硬度为:HRC45-48。齿轮轴的断齿宏观形貌如图1所示。本文针对该砖机减速器齿轮的断齿和失效机理进行探讨。

1 分析过程

采用全谱直读火花光谱仪 (Q4) 对原试件进行化学成分分析, 利用Me F-3光学显微镜检查显微组织及非金属夹杂物, 分别采用布维硬度计测量试件心部硬度和洛氏硬度计表面硬度进行分析。用SUPRA 55/55VP型扫描电镜进行断口以及微观分析, 用EDS进行微区成分的分析, 确定试件原因, 提出改进措施。

2 分析与结果

2.1 成分测试

对齿轮材料进行化学成分分析, 分析结果如表1所示, 可见, 齿轮材料为42Cr Mo钢, 所有化学成分符合标准范围。

钢中非金属夹杂物含量的测定方法普遍采用图谱评定法。如果需要明确夹杂物的尺寸, 可以在图谱评定法分析的基础上, 进一步采取图像分析法进行计算。对制备好的金相试样, 观察发现了硅酸盐夹杂、氧化物夹杂物等夹杂物, 如图2所示, 通过对夹杂物的观察结果表明:金相组织夹杂物形貌与氧化铝、硫化锰、硅酸盐等的特性相似。夹杂物按GB/T10561—2005《钢中非金属夹杂物显微评定方法》评定, 结果发现显微组织非金属夹杂物等级为A类粗系2.0级, B类粗系2.0级和D类3.0级。

2.2 微观金相分析

把抛光后的试样用4%的硝酸酒精溶液侵蚀后, 42CrMo钢壳体的心部组织如图3所示。由图3可见的显微组织为回火索氏体+块 (针) 状铁素体, 为典型的欠热组织[1];正常42Cr Mo钢回火后的显微组织为回火索氏体[2]。齿轮的齿部金相组织不均, 齿顶部位回火索氏体, 但齿根部为珠光体+铁素体。且淬火层厚度最大为88um (见图4) , 从齿顶到齿根逐渐减少为0um。

2.3 断口分析

该断口表现为较典型的接触疲劳断口形貌。即有三个区域;疲劳源区、呈现海滩波纹 (贝纹) 状的疲劳裂纹扩展区以及粗糙的瞬时最终破断区。疲劳源区为一个以疲劳核心为焦点的非常光滑、细密、海滩花样不明显的狭小区域。这也是裂纹在该区扩展速度很慢而且反复张开、闭合使断面磨光的缘故, 见图1所示。疲劳裂纹扩展区有贝纹线。这种花样的推进线标志着部件在交变应力下断口上留下的痕迹。断口表面由于多次反复挤压、摩擦, 使该区域变得较光滑, 有的甚至像细瓷状。贝纹线一般从裂纹源开始, 向四周推进呈弧形, 它垂直于疲劳裂纹的扩展方向。瞬时断裂区是疲劳达到临界尺寸发生的快速断裂, 断口十分粗糙。从图1的宏观断裂可知, 轮齿的断裂为典型的低周疲劳断裂, 具有贝纹线特征 (见图1裂纹源处) , 疲劳源位于齿根处。裂纹源处有多条细小的台阶条纹, 说明疲劳源处有应力集中现象。断口上的疲劳区除有贝纹线外, 还有似河流状的台阶条纹 (见图1裂纹扩展区) , 为了便于与疲劳源处的台阶条纹相区分, 称为二次台阶。这种二次台阶条纹通常在高应力作用下出现。同时, 在图1的A区域, 断裂形貌与其他有所不同, 由于A区域位于齿轮齿顶位置, 硬度较高, 倾向于准解理断裂特征。通过对断面进行扫描和能谱分析, 由图5可知, 黑色颗粒主要为碳、氧、硅、铝、钙等化合物, 而灰色部分为铁素体, 很明显是沿铁素体与其他相的晶界而断裂。

在压应力作用下承受弯曲的拉应力作用而疲劳折断, 在切应应力和弯曲应力的联合作用下, 表层金属不断脱离表面基体扩大剥落面积, 此时噪音也会急剧增加, 形成一或多个较深的大扇形剥落坑, 见图1所示, 可见接触疲劳裂纹的萌发主要是最大切应力引起的, 而剥落面积的扩展既有切应力的作用也有弯曲拉应力的作用。通过对齿轮表面进行扫描分析, 结合断口特征, 可观察到齿轮在运行过程中, 齿面存在严重擦伤, 断面显得非常光滑见图1 (剥落区) , 对其中部分进行局部放大, 可卵形晶粒。由此可说明疲劳源为疏松, 具体见图6所示。

齿轮齿面结合属于接触传递扭矩, 接触疲劳裂纹的萌生和基体组织的抗剪和抗弯强度密切相关。由于存在切断抗力较低的相, 如铁素体, 在切应力的作用下首先滑移变形, 易引起裂纹出现。研究表明, 在复合金属组织中屈服强度较低的铁素体容易引起显微裂纹的萌生, 但在萌生裂纹之前, 铁素体先要发生强烈的塑性变形或滑移, 消耗一定的能量。而经塑变的铁素体中出现的二次裂纹不一定都与主裂纹汇合, 从而可以降低主应力面上的应力水平, 但是由于大量的铁素体的存在, 尤其是沿晶界分布的铁素体就会加速断裂[3]。从对整个齿面进行硬度分析见图7所示, 可知齿轮齿面的硬度分布极为不均。齿根部分未淬上火, 硬度较低, 甚至为8.5HRC, 我们知道对于弧齿齿轮的是以点接触传递载荷的, 由于热处理工艺不当, 导致齿轮表面存在弱区是导致齿折断的主要原因。从齿根的微观组织, 见图6, 可知组织的确存在大量的铁素体和残余奥氏体相 (切断抗力较低) 。

2.4 断裂原因分析结果与改进措施

齿根部是淬火区与未淬火区的过渡区 (硬度较低) , 存在残余拉应力, 齿根部的工作应力也为拉应力, 二者叠加, 加大了齿根的拉应力峰值, 降低疲劳强度;齿根存在块状铁素体和残余奥氏体, 使强度, 特别是疲劳强度下降, 当工作应力超过材料的持久极限时, 出现疲劳破坏;该齿轮的齿与齿根之间过渡不圆滑, 存在粗糙加工刀痕见图9所示, 引起应力集中, 在齿轮运转过程中易成为疲劳源, 也促进了疲劳断裂的产生。上述几方面因素共同作用导致齿轮根部产生疲劳裂纹并不断扩展而失效。淬火层厚度分不均, 通过调查可知, 表面淬火后要进行精滚, 由于齿面较宽, 淬火后齿轮变形大, 精滚量较大造成, 部分淬火层被滚掉。

针对42Cr Mo齿轮断齿原因, 调整了齿轮表面淬火工艺, 使齿轮根部达到1.2mm的淬硬层深度并避免齿轮根部出现游离铁素体, 同时控制齿轮根部的表面粗糙度及圆角过渡和增加螺旋角到25°, 有效避免了齿轮断齿现象的发生。

3 结论

通过对砖机减速器齿轮断齿的研究分析, 发现该批减速器齿轮确实存在质量问题。针对断齿断口的宏观与微观分析, 找到了齿轮断齿的原因, 提出了改进措施。保证了减速器齿轮的质量问题。

参考文献

[1]上海交通大学《金相分析》编写组.金相分析[M].北京:国防工业出版社, 1982:224-227.

[2]刘永铨.钢的热处理北京[M].冶金工业出版社, 1981:113-118.

齿轨轮不耐磨和断齿原因分析 第2篇

关键词：有效硬化层深度,表面脱碳

1 引言

齿轨轮为采煤机行走机构中的重要零件, 也为易损零件。机器运转时, 任何机件在接触状态下相对运动都会产生摩擦, 引起磨损, 采煤机在采煤行走时, 依靠齿轨轮和销排啮合, 受力状态复杂, 而且矿井下使用环境恶劣, 因此, 磨损不可避免, 但短时间的过量磨损和使用中的断齿给用户造成了极大的经济损失。分析影响齿轨轮不耐磨和断齿原因, 找出切实可行的解决方法显得尤为重要。

2 齿轨轮工作中应力分析

齿轨轮的失效主要是由两种应力造成:一种是弯曲应力, 齿轨轮在和销排啮合时, 齿轨轮齿根部受到很大的弯曲应力, 造成脆性断齿和疲劳断齿;另一种是接触应力, 即齿轨轮在和销排啮合时, 两者相对运动, 在摩擦力作用下造成齿面的疲劳点蚀、剥落, 齿面塑性变形、磨损、擦伤、胶合等进而失效。

3 齿轨轮失效分析实例

3.1 实例1

某矿使用我公司某机型齿轨轮发生断齿, 失效分析如下。

(1) 断口宏观分析

如图1、图2所示, 从断齿宏观看, 齿顶一侧 (A面) 有25mm长的掉角、掉块, 图3中另一面B面有一条由齿顶到齿根的裂纹, 分析认为该裂纹为沿齿根圆R表面萌生并扩展, 但主源在掉角一侧的角上。表明齿断于齿根圆R处, 裂纹起源于齿根圆表面, 掉块深度和渗碳层深度一致 (图4) 为2.0~3.0mm (渗碳层深度为2.4~2.5mm) , 为大应力双向弯曲疲劳断裂。

(2) 微观金相分析

在所取断口垂直面制备金相试样观察断口附近, 即齿根处的渗碳层深度、有效硬化层深度、渗碳层组织和芯部组织, 并测定渗碳层硬度和芯部硬度。结果如下: (a) 非金属夹杂物、脆性夹杂物为1级, 塑性夹杂物<1级 (满足冶金质量要求) ; (b) 渗碳层表面硬度平均为HRC58.5 (符合设计要求HRC58-62) ; (c) 芯部硬度平均为HRC40 (符合设计要求HRC38-42) ; (d) 芯部组织为低碳回火马氏体 (芯部组织正常) ; (e) 渗碳层组织为回火马氏体、微量残余奥氏体、颗粒状碳化物 (渗碳层组织正常) ; (f) 渗碳层深度为2.8mm (符合设计要求) ; (g) 有效硬化层深度为2.4~2.5mm。

从微观分析可看出, 不论原材料成分还是热处理后组织均没有出现问题。因此, 此次断齿原因是因齿轨轮在使用过程中受较大冲击载荷及大的双向弯曲应力作用, 使其齿根处受到超出其强度极限而产生晶间裂纹导致的疲劳断裂, 不存在因工艺或制造过程不当原因所致。

3.2 实例2

从表1我们发现几乎所有齿轨轮齿面硬度及芯部硬度均在设计要求范围 (要求:齿面硬度HRC58-62, 芯部硬度HRC38-42) , 但大多数失效齿轮有效硬化层深度没有完全达到设计要求 (2.5~3.0mm或3.0~4.0mm) 。

我们知道, 尽管渗碳层深度足够, 但真正起耐磨作用的是有效硬化层。而在实际生产中, 淬火介质的烈度、流动性、温度以及齿轨轮进入淬火介质的方式方法等均对淬火有效硬化层深度有很大影响。从表1发现, 失效的齿轨轮的渗碳层深度和有效硬化层深度几乎没有一致的, 相差最大的达到1.8mm。为此, 我们对热处理生产操作过程进行了跟踪, 并对生产操作提出进一步规范要求: (a) 齿轨轮在淬火冷却时一定要打开油冷却循环系统, 保证油的流动性及冷却性能。 (b) 冷却油温不得低于40℃和高于80℃。 (c) 同时进入冷却油池的齿轨轮不得大于一挂 (4个双链齿轨轮或8个单链齿轨轮) 。

4 试验分析

齿轨轮是否因表面脱碳而不耐磨?为此, 我们进一步试验分析。齿轮表面含碳量低或脱碳, 会导致表面耐磨性差, 表面脱碳还将使弯曲疲劳极限降低, 特别对于表面硬度高的齿轨轮更是如此。有资料显示, 表面脱碳对于重载齿轮可使弯曲疲劳极限降低1/2~2/3, 使表面压应力不足, 甚至导致疲劳断裂。为了保证齿轨轮的抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能, 工艺要求在渗碳后期扩散阶段及淬火加热时碳势控制在0.80%~0.90%, 以满足渗碳后齿轨轮表面碳浓度为0.80%~0.90%。从工艺看, 不应该有齿轮表面含碳量低的现象, 可为什么许多齿轨轮会不耐磨呢?为了判定是否因表面含碳量低或表面脱碳导致齿轨轮的早期失效, 对已失效的齿轨轮及库存齿轨轮进行了硬度的重新检测, 发现表面硬度不存在问题, 均在HRC58-62范围。但我们知道, 表面硬度的高低并不一定和含碳量成正比, 对于渗碳零件, 当表面含碳量达到0.45%时, 即可淬硬到HRC58以上。为此, 我们进行了以下试验, 以便确定齿轨轮是否存在表面脱碳或贫碳现象。制做了两根直径为准50mm、长150mm的齿轨轮同炉试样, 渗碳后进行了碳含量剥层分析, 发现从表面到0.4mm范围内碳含量偏低, 低于0.75%, 表明表面有脱碳现象, 如图5所示。

分析造成表面脱碳的原因并采取措施:

(1) 是否因热处理操作过程不当导致工件因氧化而脱碳。我们对齿轨轮的整个热处理工艺进行了详细的分析, 并对每个生产过程进行跟踪, 发现问题出在渗碳后坑冷工序。工艺要求渗碳预冷到860℃后坑冷, 在坑冷过程中需在冷却坑内添加木炭, 以使坑冷坑内保持一定的碳浓度气氛及正压, 防止工件在缓慢冷却中空气进入造成工件氧化脱碳。但因现有设备为传统的冷却坑, 坑内气氛无仪器检测控制, 又因工人对此工序认识不足, 错误操作, 没按工艺要求添加木炭。因此我们必须要求工人在此工序操作中严格按工艺执行。

(2) 表面因高温回火阶段造成表面氧化脱碳。因现有高温回火时所用井式回火炉无气氛保护控制系统, 导致钢的氧化脱碳。因此, 我们强调在高温回火时, 应向炉内放入木炭, 以便保证炉内正压, 防止外界空气进入。

(3) 是否渗碳时在扩散阶段炉内碳势偏低。在扩散期工件表面的碳一般是向气相传递的。在较短的时间内碳势就能与气相碳势相平衡, 因此准确控制扩散期气相碳势, 是能否获得理想的表面碳浓度的关键。工艺要求在渗碳后期扩散阶段及淬火加热时碳势控制为0.80%~0.90%, 和齿轨轮最终要求表面碳浓度为0.80%~0.90%相一致。从理论上讲, 经过扩散后零件的表面碳势应该在0.80%~0.90%。但从生产实际看, 两者之间有一定的差距。为此, 我们进行了工艺改进试验, 提高渗碳扩散期炉内碳势到0.95%~1.05%, 以便提高零件表面碳含量, 增加齿轨轮耐磨性。

在经过问题分析后, 我们规范了工人的操作过程, 同时也改进了工艺, 后经过多炉生产跟踪, 对渗碳后齿轨轮随炉试样检测发现, 效果明显, 其脱碳层均在0.05mm以内, 碳化物也均在5级以下。

5 其它影响因素

断齿原因 第3篇

关键词：采掘机械,齿轮,断齿

0 引言

齿轮属于采掘机械中的传动器件,由于种种原因,在生产的过程之中往往会出现齿轮断齿方面的一些问题,尤其是低速重载齿轮表现突出。据某一煤矿的有关的调查中发现在齿轮断齿之中,采掘机械齿轮的断齿所占比例高达百分之二十左右,基于此对于采掘机械齿轮断齿方面探究其发生的原因也就变得突出起来。

1 采掘机械齿轮断齿原因探析

依据断裂的形式可以分为三个类型,即疲劳断齿、偏获断齿、静力断齿。

1.1 疲劳断齿

这一类型的断齿是主要的一种破坏的形式,对于直齿轮来说,它通常是沿着齿长方向在根部断裂,如果齿宽比较大的情况,也有可能在端部断裂;而对于齿斜轮来说一般会产生倾斜断裂,这是因为载荷只作用在一段的齿顶上。对于疲劳断齿来说,其断裂面呈下凹的曲线形,不过也有下凹台阶形的[1]。具体是哪类形状是与齿轮的热处理方式是密切相关的,不过这两种断口的裂纹发生区是比较明显的,展区和瞬间脆断区。总的来说产生疲劳断齿的最根本的缘由是齿轮要不断反复的承受循环载荷。当它的弯曲应力超过了材料的极限的时候,其疲劳损伤就会在一定的情况之下不断的积累,最终会在齿根部受拉一侧的过渡圆角附近出现疲劳性的裂纹,不过此时只不过是很微小的,随着时间的不断延续最终会导致疲劳折断。

1.2 静力断齿

这类型的断齿往往是由于齿轮的外符合陡然增大引起过负荷而形成的。这种情形与其它相比其发生的可能性是很高的。譬如在采煤过程中在接个到顶底板的坚硬的岩石的时候,弱底板沿着煤层的走向呈现出不平的时候,还可能截割到铲煤板等,这个时候截煤滚筒会出现阻力加大的情况而使得自身不能动弹,整个传动系中转动器件大的转动惯量均会作用在轮齿上,那么齿轮受到的冲击力是非常的大的,齿轮在这种情形之下会产生脆性折断,所能够看到的是较为粗糙的断口。

1.3 偏载断齿

这类断齿主要是由于机壳或者轴承受载变形抑或是制造时安装误差使得载荷在接触线上均衡的分布,形成偏载而产生的。通常来讲机壳刚性愈差,其安装精读就俞低,偏载就会加剧,尤其是两轴承分布失衡。由于他们在受力后,会弯向于不同的方向,这样造成他们互相偏斜,那么它们的啮合齿面就会局限于轮齿端部的一点上。

2 采掘机械齿轮断齿的预防措施

我们通过之前的分析可以看到,采掘机械断齿的原因是多方面的,我们应该从多处着手采取相应的措施。

2.1 齿轮工作载荷的确切预测

我们知道采掘机械工作机构上的载荷是不断变化的,载荷的估算对于齿轮强度以及耐久性的计算有决定性的重要影响。但是就目前来看影响其载荷的因子过多,而且有些是我们无法掌控的,所以说现在还未形成一种较为理想的计算方法,不过在设计中通常采用统计法抑或是类比法以及设计者的相关经验来进行。

2.2 加强机壳与轴的刚性

此方面的加强可以防止齿轮偏载。一般来讲钢机壳比祷铁或焊接机壳要好,要在机壳方面加强筋板,同时对于轴孔凸台进行必要的加强,满足其含轴量需求,如果条件许可对于两轴承进行对称性的布置。

2.3 齿轮动感系统中过载断齿保护装置的设置

对于保护装置来说可以是剪切保险销式的联轴器,或者是摩擦片式的联轴器离合器,其切断力矩也是比较大的。如果齿轮过载超限,则摩擦离合器打措或将保险销切断,进而保护传动件,在外国的一种M K且型采煤机中,在其牵引部就配置了防治牵引过载的摩擦片式离合器,它可以通过控制液压控制系统,从而使得采煤机自动停止牵引。

2.4 加大齿轮模数以及对变位齿轮的采用

对于轮齿弯曲强度的提高可以通过加大模数来实现,不过这是有一定的限度的。因为通常来讲在井下进行工作操作的话,由于空间有限,所以对于采掘机械的尺寸难免会限制,如果增大模数,那么齿数就要相应的减少,由此降低齿轮传动的重迭系数,会威胁其平稳性以及连续性,所以这是我们要注意的地方。

2.5 齿轮制造精度以及安装精度的提升

对于齿轮来说其接触的精度要达到七级,不要低于八级,对于齿根部要进行一定的加工,即进行磨削,这是为了应付造成应力集中,而且在齿根部还要有一定的有保证的过渡圆角。在安装的过程之中轴要在水平方向以及垂直方向上保持其精确性,以使得齿轮有一定的啮合间隙等,通过这些措施的实施在低齿根的弯曲应力方面会大为降低。

2.6 沿着齿长方向进行鼓形修齿

通过这一措施的应用,使得齿的侧面可以沿着齿长的方向形成腰鼓形,段齿廓依旧是渐开线形。这样就会使得齿轮的啮合的接触面形两个曲面性的接触,这样可以较为有效的改善轮齿的偏载,这样载荷在沿齿长的分布上就会趋于平衡,相应的就会减轻载荷几种的问题,而且在时间方面也证明鼓形修齿的齿轮在实践之中是很少出现偏载断齿的。

2.7 加强管理

对于有关的机械要进行经常性的检修,做好日常维护工作,使得在施工使用的时候能够尽快的投入到生产之中。同时在工人方面要进行一定的培训,提高他们在实际操作过程之中的技术水平以及熟悉相应的机械保养知识经验,这样可以保证机械能够使用的更为科学合理,设备也可以在其较为良好的状态之下正常的运行。

总之针对实际情况出现的一些断齿现象,我们要结合各种措施来进行加以防范,以避免影响采掘工作的正常的运转,给企业带来一些不必要的损失。对齿轮断齿采取由针对性的措施可以延长采掘机械的使用寿命,给企业节约相关的成本,从而可以提高企业的经济效益。

参考文献

[1]彭锡文.采掘机械齿轮断齿原因分析及其预防措施[J].河北煤炭,1991(03):160.

断齿原因 第4篇

差速器齿圈是汽车重要的传动部件, 需承载较大的交变应力, 要求具有较高的强度和韧性。某汽车差速器齿圈装车行驶3000km后两个齿发生断裂, 见图1所示。该差速器齿圈选用20Cr Mn Ti H, 具体工艺流程为:原材料入厂—锻造—正火—机加工—热处理—清洗。本文通过断裂齿进行化学成分、显微组织、宏微观断口分析, 找到造成该差速器齿圈断齿的主要原因, 并提出相应改进措施。

1 试验材料与方法

首先对断口进行宏观和微观形貌分析, 判断断裂起源部位和断裂的性质。然后在断裂部位取样, 为了通过扫描电镜进行断口容貌及微观形貌分析, 将齿轮截为3断。将试样1低温切割为沿着差圈钢材的轧制方向, 在断裂部位进行切割, 为纵向试样1a和试样1b, 主要检测其非金属夹杂物, 带状组织和流线等材料组织缺陷。

2 试验结果与分析

2.1 化学成分分析

在齿轮试样3的本体上进行了取样, 对其化学成分进行了检测, 结果见表1, 检测结果符合GB/T5216-2014《保证淬透性结构钢》要求。

2.2 硬度检验

试样1a齿面硬度检测其HV为831.11正常;试样1b的断裂最深处进行了两次取样, 分别为HV145.81和HV139.449, 说明该组织硬度非常低, 疑似夹杂物或其它不明组织;

对试样2的a处进行硬度检测, 在疑似夹杂物或其它不明组织处, 检测硬度为HB142.56, 然后在试样2的心部组织处任意位置取样, 测得其硬度为HV326.50, 在疑似夹杂物或其它不明组织的混合处取样, 测得其硬度为HV226.289。

2.3 金相检验

对试样1a的平直裂纹和拐角裂纹处, 均检测到渗碳层。

对试样1a的断裂面进行高倍观察, 发现渗层组织为回火马氏体+残余奥氏体+碳化物, 过渡层组织为粗针状马氏体、碳化物加残余奥氏体, 且裂纹处无脱碳现象。对试样1a的断裂最深处进行高倍观察, 发现存在大量白色的不明组织。

对试样2的b处进行观察, 发现存在大量白色的不明组织, 对其高倍观察可能为铁素体或残余奥氏体, 呈明显晶界, 该试样其它部位的板条状马氏体组织与其相连, 在部分区域甚至出现以上两种组织的混合。

3 讨论

3.1断口分析

使用MODEL D-4800的场发射扫描电子显微镜对试样1进行宏观形貌观察, 发现其中心断裂面为准解理面, 有河流状或舌状花纹;外断裂面表现为沿晶断裂, 存在少量球状物和断裂韧窝。

对试样2进行宏观形貌观察, 发现其裂纹贯穿视场, 裂纹处存在明显得颜色差异;在裂纹的红圈处放大, 偏向于脆性断裂, 断裂较为平直。试样2的另外一处裂纹, 表现为部分拉伸韧窝, 更偏向于韧性断裂。

对试样3进行宏观形貌观察, 发现其裂纹是挤压形成的, 未形成大范围的扩展裂纹, 其断裂面表现为受挤压后重新组合在一起。

以上分析指向试样1中心断裂面可能是断裂源, 其外断裂面是伴随断裂, 表现为沿晶断裂;试样2的主裂纹偏向于脆性断裂, 侧面另外一条裂纹偏向于韧性断裂;试样3未形成大范围的扩展裂纹, 其断裂面表现为受力挤压后重新组合。

3.2 金相检测分析

本文中发生裂纹的齿轮试样1a, 发现其平直裂纹和拐角裂纹处, 均检测到渗碳层, 推测其裂纹可能发生在热处理之前。毛坯在机加工之后, 将夹杂在锻件中的夹杂物或不明组织显现出来, 经过渗碳淬火后, 夹杂物或不明组织形成小的孔洞或裂纹, 因此, 表现为渗碳淬火后其裂纹出现渗碳层。

4 结论与建议

(1) 该差速器齿圈断齿缺陷产生于锻造过程, 原因为锻造时坯料表面存在划伤, 锻造后嵌入表面形成缺陷。

经过机加工后, 表面缺陷暴露萌生疲劳裂纹源, 在渗碳淬火后的热应力及组织应力作用下裂纹扩展。当齿轮收到啮合的交变应力作用下, 缺陷部分齿面发生断裂失效。

(2) 加强棒材轧制控制和表面探伤精整来提高表面质量, 锻造厂在原材料入厂时加强外观质量检验, 对圆钢头部增加切除量, 建议切除长度在直径的一倍以上。

摘要：对断裂的20Cr Mn Ti H差速器齿圈的材料、断口进行了分析检测。结果显示, 化学成分符合标准要求, 金相分析、硬度检验显示热处理过程正常。通过对裂纹渗碳层情况综合分析和对锻造过程进行排查, 认为该裂纹为锻造过程导致, 其原因与原材料表面缺陷有关。

关键词：锻造折叠,渗碳层,断口,表面缺陷

参考文献

[1]钟群鹏, 张峥, 田永江.机械装备失效分析诊断技术[J].北京航空航天大学学报, 2002, 28 (5) :497-502.

[2]王荣.30Cr Mo钢油管接头开裂原因分析[J].金属热处理, 2006, 31 (4) :73-76.

传动齿轮断齿修复1例 第5篇

齿轮传动的失效形式及影响因素较多, 其中齿轮轮齿断裂是较为常见的齿轮损伤形式, 也是造成齿轮失效的重要原因。实际使用中最常见的是过载断齿和疲劳断齿两种形式。

过载断齿是当实际载荷大大超过设计载荷, 或因轮齿接触不良造成载荷严重集中, 使得轮齿的应力超过其极限应力, 在短期内产生轮齿整个或局部断裂的现象。

疲劳断齿是轮齿在长期受到过高的交变应力重复作用下, 在轮齿的根部弯曲应力较大且应力相对集中的部位产生疲劳裂纹, 随着作用次数增多, 原始的疲劳裂纹不断扩展, 当齿根剩余截面上的应力超过其极限应力时, 轮齿就会因过载造成断齿。

此外, 较为常见的还有随机断齿。随机断齿是指意外情况引起的断齿, 如异物进入、润滑不良、材料缺陷、磨刮裂纹、热处理残余应力过高等原因引起的轮齿折断现象。

近几年来, 我们对中等模数齿轮轮齿失效的修复做了一些尝试, 多次解决了因无备件或备件加工工期长而影响生产的困扰。不久前, 在河南商丘职业技术学院施工现场, 一台推土机从动齿轮轮齿发生了断齿现象, 该齿轮模数为6, 齿宽70 mm, 齿轮材质为低碳低合金钢。由于配件难以采购, 为保证施工进度, 施工单位请求我们给以修复。我们召集机械加工中心的实习指导教师, 经过讨论, 确定采用堆焊机械加工表面热处理磨削修形等工序对其进行修复。齿轮修复后表面光滑, 齿形完好, 啮合时无噪声, 无冲击。经过半年多的使用, 没有发现点蚀现象和严重磨损。实践证明这次轮齿修复工艺较好, 有效地解决了轮齿断裂修复的问题。现将修复工艺介绍如下。

1 轮齿堆焊

1.1 焊条选择

为保证堆焊轮齿的冲击韧性、耐磨性、疲劳强度及硬度等指标, 采用抗冷、热裂缝能力较高的低氢焊条, 同时将焊条在烘箱内以200~250℃的温度烘干1~2 h, 随烘随用。

焊条直径主要根据堆焊厚度选取。因为全齿高为13.5 mm, 且齿顶宽度较窄, 综合考虑后决定选择直径4mm的焊条。为防止根部焊不透, 第1层施焊焊条直径选得小些, 为3.2mm。

1.2 表面清洁

施焊前用汽油清洗焊接表面, 晾干后清除待焊部位铁锈、油污、毛刺等污物, 使之露出金属光泽。

1.3 焊接电流

电流值一般按公式I=kd算出, 式中I为焊接电流 (A) , d为焊条直径 (mm) , k为系数。系数k与焊条直径d有关:

d为1~2 mm时, k取25~30;

d为3~4 mm时, k取30~40;

d为4~6 mm时, k取40~60。

本例中, 焊接电流选为200 A。实际操作时根据电弧吹力、熔化速度、熔池深浅、飞溅大小来判断电流是否合适, 及时加以调整, 保持最佳电流值。

1.4 电孤弧长

电弧长短对堆焊质量影响较大。修复时采用窄焊道短弧焊接, 弧长3mm左右 (小于焊条直径) 。这样可避免电弧燃烧不稳定、金属飞溅严重、熔深小等缺陷。

1.5 堆焊工艺

由于齿轮材料为低碳低合金钢, 可焊性不好, 有淬硬倾向, 故焊前加以预热。预热时把齿轮垫平以防止变形, 在烘炉中以150℃进行预热。

为了防止风淬产生裂纹, 故在室内施焊;为防止变形, 施焊时将齿轮在台钳上夹紧。慢速焊接所有焊缝, 第1层电流减少至150 A, 焊后保温缓慢冷却。堆焊第2条焊缝时, 熔化第1条焊缝的1/3宽度, 且各条焊缝宽窄一致。由于是多层多道焊接, 堆焊时每一层间隔一段时间进行, 焊缝保温缓慢冷却后, 再彻底消除熔渣, 以防止夹渣、变形和裂纹。施焊时, 用齿形样板控制, 齿面留有2.5 mm加工余量。

2 焊后检验

先进行外观检查, 用放大镜观察齿面是否有未焊透、表面沙眼、裂纹等缺陷, 然后用煤油渗透法检查齿面是否有裂纹等缺陷, 结果未发现有缺陷 (如果发现存在缺陷, 必须重焊) 。

3 机械加工

齿轮检验后在CA6140型车床上用齿轮内孔定位, 加工外圆和端面。然后在X6130型卧式万能铣床上按8-8-7FH JB179-83精度用圆盘铣刀粗铣轮齿。铣削过程中经常测量变动公差, 并使齿面留有0.3 mm的加工余量。

4 热处理

4.1 局部高温回火

齿轮堆焊后将齿轮底部用砖垫平, 用氧乙炔焰对堆焊齿局部加热到600~650℃, 然后局部盖上石棉布, 缓慢冷却l h (为防止金属相变, 也可分2次加热, 每次保温0.5 h) 。

4.2 表面淬火

齿轮机加工后, 用台钳夹紧, 再用氧乙炔焰的中性焰加热, 火焰内焰离焰心3 mm处接触堆焊轮齿, 0.5min左右使轮齿表面温度达800~850℃, 然后用自来水接上胶管用喷头喷水, 冷却水流量15 L/min。经表面淬火后的轮齿可获得较高的硬度、疲劳强度和耐磨性以及较低的脆性, 淬硬层深度可达2~5 mm。

4.3 低温回火

表面淬火后用氧乙炔焰对堆焊轮齿局部加热到l50~250℃, 然后整体盖上石棉布, 使之缓慢冷却。这样可以预防磨削裂纹的产生, 提高齿轮抗冲击过载能力, 有高耐磨性和高硬度, 并且轮齿变形小。

应当指出, 用氧乙炔焰进行热处理的方法很简便, 但是温度不容易控制, 有轻微变形发生。

5 磨削加工

齿轮热处理后进行磨削加工。为了减小磨削力和磨削热, 防止表面烧伤和残余拉应力, 砂轮选择中软ZR2, 先粗磨, 再精磨。为控制轮齿表面磨削质量, 采用压力喷射切削液对砂轮、轮齿表面进行冲洗冷却, 同时采用间断磨削方法并增加砂轮停磨时间, 使砂轮和轮齿接触时间缩短, 降低磨削温度, 减小热量产生, 加速热量传出, 以达到减小磨削力和磨削热, 防止表面烧伤和减小残余拉应力的目的。

6齿轮装配和检验

自动变速器输出轴断齿故障分析 第6篇

在自动变速箱中输出轴作为四点齿轮之一实现二级减速和增扭,齿轮通过齿面接触而传递动力,齿面周期地承受很大的接触压力,常因齿面接触疲劳破坏而失效。其破坏形式为麻点剥落或硬化层剥落。齿轮的齿根处承受很大的弯曲应力。在弯曲应力的反复作用下,会产生弯曲疲劳破坏,发生断齿。此处,机器在启动、急刹车或换挡时,齿轮还会受到冲击载荷或短时间过载的作用,而使齿部折断,这种破坏形式危害最大。齿轮在工作时,两个齿面在啮合时还有相对运动(包括滑动和滚动)而产生摩擦,使齿面磨损。

齿轮在高速运转条件下,如接触应力过大,齿面滑动速度过高,由主动与被动齿轮间摩擦而产生高温,破坏油膜的形式,使两个齿面的金属直接接触,导致两摩擦面的瞬时焊合,在随后的运转中,焊合的金属又被撕断,造成齿面刮伤,这是胶合磨损。综上所述,齿轮在工作时的主要失效形式有:齿根折断、弯曲疲劳、接触疲劳与磨损。

1、故障现象

输出轴在做耐久试验时,运行到273循环,step2第二次全油门升速过程中,发动机突然出现跑飞声音,既而听到“咔蹦”的断裂声,台架随即因负扭矩超限报警,停机,从出现异响到停机持续时间约15秒左右,进试验间检查发现,变速器壳体在输出轴位置附近出现开裂现象。故障导致损坏情况如下:

(1)变速器壳体裂纹损坏;

(2)输出轴上主减主动齿轮、差速器上主减从动齿轮出现掉齿、齿面剥落等严重损坏;

(3)输出轴两端轴承损坏,轴承滚子全部掉落;

(4)输出轴轴承保持架出现裂纹;

(5)驻车棘爪前端爪齿断落损坏;

(6)单向离合器损坏;

(7)LR压力板烧蚀变形。

2、故障分析

2.1 试验过程曲线图分析

ALPHA:油门开度;TORQUE_L:左半轴扭矩;

SPEED_L:左半轴转速;E_SPEED:发动机转速

(1)图2 1标线----2标线区间

从图2和图3的对比来看,故障发生在图2的2标线位置,在此之前变速器工作正常。

(2)图2 2标线----4标线区间

在2标线和3标线之间,半轴扭矩出现大幅波动,推测此时变速器主减齿轮副已经出现掉齿问题,掉齿卡在齿轮之间对输入输出侧均产生较大冲击载荷,导致单向离合器损坏。从图2 3标线位置开始由于单向离合器损坏导致1档位在档状态不正常,发动机3标线和4标线之间出现过瞬间的半轴转速下降,半轴扭矩瞬间达到-1800N.m左右,推测这是由于驻车棘爪突然卡入驻车齿轮并在冲击载荷作用下折断损坏。

在此区间,TCU软件系统通过判断涡轮转速传感器(PGA)和输出轴转速传感器(PGB)信号同步性异常,从而控制变速器进入故障模式下的3档;

(3)图4 5标线----6标线区间

从5标线位置开始,发动机油门开度仍然保持全开,变速器进入3档,由于档位状态正常,发动机转速、涡轮转速均被拉了下来,输出轴转速有一个明显上升过程,而且此时变速器速比关系也正常,但只经过0.2S左右输出轴转速和涡轮转速就下降了,推测此时输出轴轴承已经出现卡滞问题,对涡轮侧旋转产生阻碍作用,导致发动机转速无法上升,而动力又无法正常向半轴端传输,导致半轴转速上升缓慢。

在达到5标线之前输出轴转速传感器(PGB)信号无明显异常,刚达到5标线时也基本正常,随后可能受到输出轴齿轮撞击出现损坏,测量信号出现异常。

(4)图2、图4 6标线以后

到6标线位置,在发动机油门全开状态下,半轴扭矩接近零,发动机转速再次飞升,推测轴承保持架断裂,轴承失效,输出轴传扭功能彻底失效。

根据试验数据分析为输出轴导致本次故障的发生。

2.2 宏观分析

宏观观察断口为典型的疲劳断口,疲劳源如图5、图6所示白色箭头所指位置,表现为多源疲劳特征。其中红色区域疲劳断口存在快速断裂特征。

2.3 金相分析

断齿的轴残留齿面已遭到严重破坏,因此,从库存中抽取一根同炉生产的轴进行金相检验和齿面磨削烧伤检验,结果见表1和图7、8、9、10。其中渗碳层金相检测部位是磨齿与非磨齿交界处表面(疲劳源区位置);图2.9是失效件杆部取样重新等温正火后带状组织(合金元素及碳偏析)检查情况。

(1)从断口观察分析该轴齿断裂为典型的弯曲疲劳断裂,疲劳源发生在三个区域,图5、图6所示为其中2个区域,疲劳源基本在齿宽中部,另一个区域疲劳源发生在齿宽方向靠近端部。齿高方向上看疲劳源产生在磨齿区与齿根交界处。瞬断区所占面积很小,说明齿部工作弯曲应力不高,没有过载现象。

(2)从100×组织中(图7、图9)观察到材料合金元素偏析较为严重,明亮带对应的渗层中残奥约为48%,严重超标;偏析处局部渗碳淬火后马氏体针粗大并形成了晶间微裂纹,见图10白色椭圆区域所示。由于微裂纹的存在大大降低了弯曲疲劳强度,可能是造成断齿的主要原因之一。

(3)该轴齿成分偏析造成渗碳淬火后局部残奥严重超标大大降低了局部的疲劳强度;严重的淬火时直接产生晶间开裂,见图10。齿轮服役时在这些局部区域首先产生疲劳裂纹或者晶间裂纹迅速发展成为疲劳裂纹。由于成分偏析的随机性与多源疲劳正好相呼应,也即当成分偏析正好处于齿根转角附近时形成疲劳裂纹的概率大大增加。

(4)渗碳淬火回火后表面硬度740HV1以上,对于轮齿发生早期弯曲疲劳也会起到促进作用。

3、结果与讨论

3.1 输出轴断齿故障的原因

通过试验数据分析此次故障为变速器主减齿轮副先出现掉齿问题,掉齿卡在齿轮之间对输入输出侧均产生较大冲击载荷,进而导致其它相关零件被破坏。该轴齿断裂为疲劳断裂,疲劳源位置较多,通过金相分析该轴齿断裂与材料的成分偏析有直接对应关系。并且在成分偏析处发现了晶间微裂纹,由此可以断定该轴的齿部早期疲劳断裂主要是由于材料成分偏析严重引起。

3.2 预防输出轴断齿故障的措施

对制作零件厂家选用的钢厂不可以随意更换,如若更换必须对材料进行金相分析,同时对新材料制作的零件要重新进行耐久考核。

摘要：文章通过研究自动变速器输出轴断齿的故障机理和故障工况,并通过试验手段在试验室环境下再现了输出轴断齿故障,根据对输出轴故障发生的机理制定了输出轴材料选择和管控的优化措施和方向。为输出轴的设计优化提供借鉴和参考。

关键词：输出轴,曲线图,金相组织,机械性能

参考文献

汽车差速器齿圈断齿失效分析 第7篇

某品牌汽车在行驶200公里后,手动变速箱出现异响。对其拆解后发现,差速器齿圈的齿面掉块,见图1的断齿1和断齿2。此汽车在市区内正常行驶,仅跑过1次高速公路。

该差速器齿圈材料为20Cr Mn Ti H。差速器齿圈的制造工艺如下:棒材下料——中频加热——镦粗——锻造成型——冲孔(或钻孔)——切边——等温正火——机加工——热处理(渗碳淬火、低温回火)——-热后磨齿、磨端面——装配变速器。该齿圈设计的渗碳硬化层厚度为0.6~0.9mm,磨削后有效硬化层深0.4mm以上,齿面硬度62~65HRC,心部硬度33~48HRC。

因仅收到断齿1,故以下仅对断齿1进行检测和分析。对发生掉块的齿圈断齿采用线切割取样,检查断齿表面的宏观和微区形貌,进行化学成分、硬度测试和金相组织检验,分析断齿失效的机理原因。

1 检验内容和结果

1.1 断口形貌观察

1.1.1 宏观检查

从图2可以看出,断口呈闪晶状金属光泽,为宏观脆性断口。断口形状规则,具有一定的方向性,边缘整齐。与二个断齿相邻的啮合面均有大面积的点状剥落特征,断齿剥落后的断口较光滑平整,且能观察到放射状条纹。

1.1.2 微观检查

将该断口用丙酮清洗,用扫描电镜进行观察,其微区形貌如图3所示。整个断面无塑形变形,断面形状规则,具有一定的方向性,边缘齐整,外侧边缘处有机加工痕迹,在齿轮体上呈凹窝状。断口处下方存在1条较长的主裂纹,断面相对粗糙,为瞬断区,瞬断区的面积占整个断面面积的25%;瞬断区上方存在3~4条短裂纹,断面相对平滑,为裂纹扩展区,且断面显示存在有较浅的条状纹路,指向最外侧裂纹源。

1.2 化学成分

在失效实物断面上用直读光谱仪测量材料的化学成分及元素含量,断裂齿圈及20Cr Mn Ti H钢的化学成分见表1。

由表1可看出,断裂齿圈的化学成分符合GB/T5216-2004中对20Cr Mn Ti H钢的规范要求。经仪器测量,原材料化学成分符合技术标准要求。

1.3 金相检验

沿齿圈剥落面割取试样进行金相试验,检验该工件的非金属夹杂物、金相组织、表面硬度、心部硬度以及工件的渗碳层深度等。

1.3.1 非金属夹杂物

割取的齿圈金相试样经粗磨、精磨、抛光后未腐蚀后,检验该工件的非金属夹杂物。经检测,夹杂物A类1.5级,B类1级,C类0.5级,D类0.5级。因此,该齿圈非金属夹杂物符合技术要求。

1.3.2 组织缺陷检测

在齿圈断口附近截取并制备横截面低倍试样,微观形貌如图4所示。参考GB/T1979-2001结构钢低倍组织缺陷评级图标准,对低倍组织缺陷进行评级。中心疏松1.5级,无明显枝晶偏析,未见明显锭型偏析或点状偏析,也未见裂纹、残余缩孔等其他低倍组织缺陷。

1.3.3 金相检测

从断口附近取纵向试样制成金相试样,在显微镜下观察。根据图4,其断口处渗碳层明显,首先判定为该断口为热处理后断裂。

根据金相法,其总渗碳层深度为0.59mm,见图4;断口处的组织为回火马氏体+渗碳体+残余奥氏体,见图5;基体组织为回火马氏体+块状铁素体,见图6;从未断裂区域取齿尖试样,制成金相试样观察,其组织为回火马氏体+渗碳体+残余奥氏体,见图7;根据金相法,其总渗碳层深度为0.89mm,而渗碳硬化层厚度符合技术要求值(0.6~0.9mm)。

1.4 显微硬度

对齿圈断口、齿尖和齿圈心部处进行显微硬度测试,测试结果如表2所示。

根据GB/T1172-1999黑色金属硬度及强度换算,齿圈齿尖表面平均硬度为HV775,相当于HRC63.1,表面硬度符合要求(HRC62-65);断口位置平均硬度为HV715,相当于HRC60.1;齿圈心部平均硬度为HV320,相当于HRC32.2,略低于技术要求值(HRC33-48)。

从显微硬度分析结果可知,齿圈齿尖硬度符合技术要求,齿圈心部硬度略低于技术要求值。事实上,从图8和图9均可看出,该齿圈的心部存在数量较多的块状铁素体,其中一些块状铁素体还存在聚集成团的现象。

2 结果分析

从失效断齿的宏观检查分析,断口呈闪晶状金属光泽,为宏观脆性断口。断口外侧边缘处有机加工痕迹,极有可能是齿轮机加工过程中铣刀误操作造成的划痕。齿的啮合面均有大面积的点状剥落坑,大块剥落后的断口较光滑平整,且能观察到放射状条纹。从断口的微区形貌来看,其断面边缘粗糙,断面内部呈较光滑平整形态的放射状,而这种放射状条纹是在疲劳裂纹扩展到一定深度后,剥落时形成的快速断裂区。这充分表明断裂是从齿面向齿轮内部扩展,可推测该断口是在以冲击为主的应力作用下,从齿轮啮合面受力位置开始的脆性断口,裂纹源可能起始于齿轮啮合面的机加工刀痕。

由于该齿圈断口表面有渗碳层,说明断口出现在热处理之前。齿圈表层组织基本正常,但心部组织为回火马氏体+块状铁素体,且存在大块的铁素体集聚成团现象。硬度测试结果表明,齿圈的热处理工艺基本正常,但是其心部硬度偏软,低于技术要求值的下限,导致热处理后齿圈的疲劳极限、抗拉强度相对较低。

齿圈工作时,在齿轮啮合面会存在较大的接触应力。如果手动换挡操作不当,发生打齿现象,会在齿轮啮合面的机加工刀痕应力集中处产生极大的冲击力。加上热处理后,该齿圈心部强度偏低,导致齿圈发生一次性快速脆性断裂。

3 建议

第一,建议加强机加工生产过程的控制与检验,避免发生在齿圈表面发生机加工碰撞。齿圈的心部硬度偏软,表明该工件的淬火温度偏低、冷却速度不足,进而导致工件的心部硬度偏低。

第二,建议在热处理时合理装件,适当提高淬火温度和淬火液冷却速度,以提高工件心部硬度,从而进一步提高工件的接触强度和疲劳强度。

第三,建议用户在使用过程中按规范操作,不得产生误操作,避免打齿导致过大的冲击载荷。

参考文献

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