減速機(jī)失效分析

減速機(jī)是一種由封閉式在剛度罩殼內(nèi)的齒輪( 或渦桿、齒輪-渦桿) 傳動(dòng)系統(tǒng)所構(gòu)成的單獨(dú)構(gòu)件，一般在傳動(dòng)裝置和工作中機(jī)中間起配對(duì)轉(zhuǎn)速比和傳送轉(zhuǎn)距的功效，在冶金工業(yè)、有色板塊、煤碳、裝飾建材、工程機(jī)械設(shè)備及石油化工等領(lǐng)域有極其普遍的運(yùn)用。某減速器在安裝后試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生響聲，開啟減速器罩殼發(fā)覺其錐齒輪小端位置出現(xiàn)了掉塊，其二維平面圖見圖 1 所顯示，減速機(jī)齒輪長 302 mm，變位系數(shù) 11，大端變位系數(shù) 10.68，傳動(dòng)比 3.545，在安裝后試運(yùn)行 15 min 后發(fā)覺齒輪出現(xiàn)破裂，其服現(xiàn)役自然環(huán)境是在有潤滑脂的封閉式箱身體，轉(zhuǎn)速比為 1850 r /min，輸出扭距 12 000 N·m，這類齒輪的初期無效會(huì)造成減速器不可以一切正常服現(xiàn)役，進(jìn)而增加了交貨限期。生產(chǎn)制造企業(yè)決策對(duì)本批號(hào)一共 27臺(tái)減速器齒輪的風(fēng)險(xiǎn)性開展評(píng)定，對(duì)裂開的齒輪開展了失靈說明便于于采取有效的目的性對(duì)策。

1 無效情況

齒輪機(jī)械加工步驟為: 開料→煅造→熱處理→精車( 每個(gè)表面至 3.2 μm) →半鏜孔( 每個(gè)表面)→滾齒→倒圓角→滲碳→車外螺紋位置滲碳層→熱處理 超低溫淬火→磨齒( 內(nèi)螺紋、內(nèi)孔) →清理→加強(qiáng)拋丸→清理→制成品查驗(yàn)進(jìn)庫。其煅造溫度為 1 200 ℃，熱處理加工工藝為 880 ℃ ×2 h油冷熱處理  530 ℃ × 2.5 h 高溫淬火，半鏜孔?43mm、?57mm、?65mm、?70mm、?174mm、?34.5 mm，滲碳熱處理工藝為 920 ℃ ×6 h 滲碳 830 ℃ ×2 h 油冷熱處理 200 ℃×3 h 超低溫淬火，磨齒成型精密度至 0.8 μm，拋丸普及率 120%。其斷裂面見圖 2a 所顯示，在齒輪小端( 見橢圓形區(qū)) 出現(xiàn)了裂開，小端斜角位置從體上出現(xiàn)了脫落，斷裂面類似呈三角形，長短 24 mm，總寬 8 mm，見圖 6b所顯示，斷裂面的外附近是滲碳熱處理層。

2 根本原因

2.1 原材料成份檢測

齒輪的原材料是20CrMnMo 碳素鋼[2],在挨近 M36外螺紋處和芯部各自取薄厚為12 mm 試件,根據(jù) GB /T4336－2002《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法》,用 CX -9600 直讀光譜儀檢驗(yàn)成分，結(jié)果見表1; 和 GB /T 3077－1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》中要求的原素對(duì)比，滲碳層區(qū)的碳含量較高，其他原素合乎**行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 顯微鏡機(jī)構(gòu)及強(qiáng)度檢測

減速器齒輪的表面規(guī)定滲碳，其合理硬底化層高為1.8～2.1 mm，表面強(qiáng)度規(guī)定 59～64HＲC，芯部強(qiáng)度規(guī)定34～40 HＲC。在圖 6b 中框架部位取垂直平分齒部樣塊，隨后打磨拋光、打磨拋光，再用 3%氰化鈉酒精腐蝕，在VHX -6000數(shù)碼顯微鏡下觀查其表面和芯部的顯微鏡機(jī)構(gòu)見圖 3a和圖 3b。據(jù) GB /T13298－1991《金屬金相組織檢驗(yàn)方法》和 GB /T25744－2010《鑄鐵件滲碳熱處理淬火金相檢驗(yàn)》，表面顯微鏡機(jī)構(gòu)為M針 A殘可獲評(píng)2級(jí)，芯部為M低碳環(huán)保 F游可獲評(píng)3級(jí)，均合乎技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)GB /T9450－2005《鑄鐵件滲碳熱處理硬底化層深層的測量和校對(duì)》,用 DHV -1000 顯微鏡顯微硬度計(jì)對(duì)齒部**測量，表面強(qiáng)度為 62 HＲC ( 維式計(jì)算洛氏，相同)，芯部強(qiáng)度為38HＲC，合乎技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，合理硬底化層高為 2.5 mm，超出技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 斷裂面外部經(jīng)濟(jì)外貌及能拉曼光譜分析

運(yùn)用 ZEISS -EVO 25 透射電鏡觀查圖 2c 終斷口裂痕源處外部經(jīng)濟(jì)外貌，見圖 4a，可看得出裂痕從這里向外散發(fā)，對(duì)框架區(qū)的夾雜物開展能拉曼光譜分析，見圖 4b 所顯示，能譜儀表明 O、Al、Ca、Mg 等原素具備較高的透射峰。圖4d、圖 4e、圖 4f 分別是對(duì)圖 4a 地區(qū)開展 Ca、Al、Fe 原素的面掃描儀。

由此可見: 裂痕源部位的 Ca、Al 素比較光亮，說明該原素在裂痕源部位成分較高，而 Fe 原素面掃描儀上出現(xiàn)孔眼，表明裂痕源區(qū) Fe 成分較少，由此可見裂痕源處是O、Al、Ca、Mg 構(gòu)成的非金屬材料夾雜物。這會(huì)毀壞基材機(jī)構(gòu)的持續(xù)性，產(chǎn)生應(yīng)力，惡變物理性能[3]。圖 4a 中的橢圓型地區(qū)是一切正常斷裂面(非裂痕源區(qū)) 區(qū)，對(duì)其開展能拉曼光譜分析，見圖 4c，該區(qū)域化學(xué)分子摩爾質(zhì)量為: Fe 91.4%、C3.9%、O 1.8%、Cr 1.2%、Mg 0.7%，沒有Al、Na 別的殘?jiān)?，均是一切正常鋁合金原素，表明該點(diǎn)原材料一切正常。

3 剖析與探討

減速器齒輪開展檢驗(yàn)，其原材料成份、合金成分、表面強(qiáng)度合乎技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，造成齒部出現(xiàn)裂開的關(guān)鍵要素為: (1) 淬硬層深超出技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，齒輪經(jīng)滲碳之后，其齒部是碳含量較高的共析鋼，芯部依然是亞共析，在油中開展熱處理制冷時(shí)，表面更先制冷，芯部其次，當(dāng)溫度制冷到奧氏體變化溫度 Ms 時(shí)，表面更先轉(zhuǎn)化成奧氏體，容積提升，表面原材料有向外“澎漲”的發(fā)展趨勢，這會(huì)對(duì)芯部原材料產(chǎn)生“拖動(dòng)”功效，造成芯部遭受拉應(yīng)力，這時(shí)表面原材料遭受向內(nèi)的壓地應(yīng)力。芯部原材料碳含量較低而有較高的奧氏體變化終結(jié)溫度 Mf，伴隨著制冷的開展，當(dāng)溫度小于芯部奧氏體變化終結(jié)溫度 Mf時(shí)，芯部機(jī)構(gòu)終止變化，表面原材料碳含量較高，有較低的奧氏體變化終結(jié)溫度 Mf，在室內(nèi)溫度下能再次變化，這會(huì)造成表面向外漲大的發(fā)展趨勢會(huì)一直開展，芯部遭受的抗拉力會(huì)慢慢提升[4]; 齒部合理硬底化層越長，這類地應(yīng)力效用越顯著，它是造成齒輪從芯部裂開的第 1 個(gè)緣故。(2) 經(jīng)透射電鏡剖析，裂痕源坐落于齒的內(nèi)部，且有較多的 O、Al、Ca、Na 等元素組成的非金屬材料夾雜物[5],這種夾雜物強(qiáng)度較高，例如 Al?O?，其硬度為 9，基本上沒有塑性變形; 這種強(qiáng)度較高的非金屬材料夾雜物能毀壞基材機(jī)構(gòu)的一致性和持續(xù)性，在遭受外力時(shí)，高韌性的夾雜物顆粒物不造成形變，其顆粒物斜角會(huì)對(duì)基材機(jī)構(gòu)造成明顯的“激光切割”功效，這會(huì)在夾雜物周邊造成高寬比的應(yīng)力產(chǎn)生裂痕源[6],再再加上內(nèi)部遭受很大的拉應(yīng)力，造成裂痕從內(nèi)部拓展，它是裂開的第 2 個(gè)緣故。

綜上所述得知，齒輪裂開緣故更先是合理硬底化層過深，次之是原材料芯部有夾雜物。歷經(jīng)對(duì)熱處理方法開展追朔，發(fā)覺齒輪開展了混放拼爐，造成滲碳時(shí)間太長，整改措施是不允許拼爐混放。此外，發(fā)覺經(jīng)銷商為了更好地控制成本，把本應(yīng)用特鋼的原材料換為普鋼原材料，造成夾雜物增加，導(dǎo)致初期無效，整改措施是特定特鋼企業(yè)，不允許隨便拆換原材料。歷經(jīng)采用所述對(duì)策，改善后齒輪的滲碳層機(jī)構(gòu)為 2 級(jí)M針 A殘，硬底化層深層為 1.9 mm，夾雜物鑒定為 1.5 級(jí)，均合乎技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，消除了齒輪的裂開難題。

4 結(jié)果

(1) 齒輪的成分合乎20CrMnMo 鋼，強(qiáng)度和顯微鏡機(jī)構(gòu)合乎技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但合理硬底化層深 2.5 mm 超出了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)( 1.8～2.1 mm)。經(jīng)透射電鏡剖析，裂痕源坐落于斷裂面內(nèi)部且有較多的 O、Al、Ca、Mg 等構(gòu)成的非金屬材料夾雜物。

(2) 更先，齒輪的硬底化層深超出了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這會(huì)造成芯部遭受很大的拉應(yīng)力; 次之，齒輪的基材中帶有較多的 O、Al、Ca、Mg 等非金屬材料夾雜物，這種夾雜物隔斷基材，非常容易造成應(yīng)力，是造成裂開的第 2 個(gè)要素; 2 個(gè)要素的綜合性功效，造成了齒部出現(xiàn)了初期裂開。

⑶有目的性地采用整改措施，更先不允許拼爐混放，標(biāo)準(zhǔn)熱處理方法; 次之將原料由普鋼改成特鋼，降低原材料中夾雜物。根據(jù)所述改善，減速器齒輪再也不會(huì)產(chǎn)生過初期裂開無效，消除了難題。