螺旋伞齿轮表面金属剥落原因分析

螺旋伞齿轮表面金属剥落原因分析
WANG Xi;WANG Yanfang;LI Zhenjie;CHEN Hai
【摘要】某橡胶装置胶液搅拌器减速箱螺旋伞齿轮发生表面金属剥落失效,通过宏观检验、介质成分分析、材料成分分析、硬度测试、金相检验等方法对齿轮表面金属剥落的原因进行了分析.结果表明:润滑油水含量超标是造成该齿轮表面金属剥落的主要原因;水含量超标使润滑油黏度降低,齿轮间的摩擦力增大,齿轮运转过程中的接触疲劳应力促使凹坑形成,并造成金属剥落.针对金属剥落的原因对减速箱及齿轮的验收、维护提出了建议.
【期刊名称】《理化检验-物理分册》
【年(卷),期】2019(055)006
【总页数】4页(P423-426)
【关键词】螺旋伞齿轮;金属剥落;润滑油;水含量
【作者】WANG Xi;WANG Yanfang;LI Zhenjie;CHEN Hai
【作者单位】;;;
【正文语种】中文
【中图分类】TQ315;TH132.4
某橡胶装置胶液搅拌器减速箱锥齿轮发生表面金属剥落失效。

该搅拌器减速箱齿轮啮合如图1所示，图中标注“101”的齿轮为发生齿面金属剥落的锥形齿轮，标注“100”的齿轮为连接搅拌轴的齿轮，该搅拌器连续运行8 a(年)无异常。

状态监
测时发现搅拌器减速箱有部分杂音，打开减速箱侧盖检查发现箱体内部有直径4～5 mm的片状金属屑，进一步解体发现损坏部位为图1中标注“101”的锥形齿轮，其齿面出现金属剥落现象。

发生金属剥落的锥形齿轮形式为螺旋伞齿轮，根据齿轮面信息，齿轮材料为SCM415钢，执行日本标准JIS G4053-2008《机械结构用
合金钢》。

为避免失效的再次发生，笔者对该螺旋伞齿轮表面金属剥落的原因进行了分析。

1 理化检验
1.1 宏观检验
宏观检验发现，齿轮金属剥落位于其中一个齿的中间部位，由齿顶向两侧均有金属损失，如图2所示。

对齿面的磨损状况进行检查，发现磨损齿两侧齿面磨损均位
于中间部位，且外弧面(B面)磨损面积较小，内弧面(A面)磨损面积较大，如图3
和图4所示。

对齿面凹坑状况进行宏观检验，发现齿轮存在局部坑点，其中一个
齿的一处坑点已经连接成长约7 mm、宽约2 mm的区域，如图5所示。

选取存
在坑点的其中一个齿，对其存在坑点的部位选取a和b两点进行局部放大观察，
放大后可见密密麻麻成片的微小坑点，如图6～8所示。

图1 齿轮啮合形貌Fig.1 Morphology of the gear meshing
图2 金属剥落齿轮宏观形貌Fig.2 Macroscopic morphology of the metal peeling gear
图3 金属剥落齿A面宏观形貌Fig.3 Macroscopic morphology of surface A of the metal peeling tooth
图4 金属剥落齿B面宏观形貌Fig.4 Macroscopic morphology of surface B of the metal peeling tooth
图5 未发生金属剥落齿坑点宏观形貌Fig.5 Macroscopic morphology of pits of a tooth without metal peeling
图6 另一未发生金属剥落齿坑点宏观形貌Fig.6 Macroscopic morphology of pits of another tooth without metal peeling
图7 图6中坑点a放大形貌Fig.7 Enlarged morphology of pit a in Fig.6
图8 图6中坑点b放大形貌Fig.8 Enlarged morphology of pit b in Fig.6
为了便于描述，将金属剥落齿两侧分为A面和B面,如图2所示。

宏观检查发现A 面有大量坑点，且面积较大的坑点已经连接起来，并在压力作用下，由下至上层层剥落，在凹坑与齿顶之间形成横向的剥落棱线,如图3所示。

B面为典型疲劳断口
形貌，如图4所示，断口由齿顶向下扩展，起裂部位为齿顶部位，断口中裂纹扩
展区第一阶段为由齿顶向下辐射的暗黑色放射状准解理棱线[1]，扩展区第二阶段
断口颜色暗黑并夹有贝壳纹，为稳定扩展阶段；扩展至边缘，表面金属与齿轮逐渐剥离，并在图4所示瞬断区位置断开并整块剥落[2]。

1.2 润滑油分析
对减速箱取油样进行水含量测试,结果如表1所示，测试值在1.7%～1.9%，远超
过相关标准要求的≤0.03%。

表1 润滑油水含量测试结果(质量分数)Tab.1 Water content test results of the lubricating oil (mass fraction) %水含量测试测试值1测试值2测试值3标准值1.71.61.9≤0.03
1.3 化学成分分析
对齿轮随机取点进行化学成分分析，结果见表2，可见齿轮化学成分符合JIS
G4053-2008对SCM415钢成分的要求。

1.4 硬度测度
对任意齿轮剖面的心部和表面渗碳层分别进行维氏硬度检测，结果见表3。

因 JIS G4053-2008未对硬度值进行规定，参照齿轮手册国内相同级别材料的硬度要求，齿轮硬度符合要求，但因标准不同，因此该值仅供参考。

表2 齿轮化学成分分析结果(质量分数)Tab.2 Chemical composition analysis results of the gear (mass fraction) %项目CSiMnPSCrNiCuMo实测值
0.170.210.810.0210.0231.070.020.010.17标准值0.13～0.180.15～0.350.60～0.85<0.030<0.0300.90～1.20--0.15～0.30
表3 齿轮硬度测试结果Tab.3 Hardness test results of the gear项目测试值标准值表面硬度测试值/HV730,742,754-表面硬度换算值/HRC61.5,62.0,62.5≥58心部硬度测试值/HV375,375,372-心部硬度换算值/HRC39.5,39.5,39.535～47 1.5 金相检验
在齿轮完好齿部位和发生剥落齿部位各取一块试样进行金相检验。

完好齿、剥落齿剖面的显微组织均为回火索氏体+少量块状铁素体，且碳化物分布不均匀，如图9和图10所示；齿外轮廓均存在明显的脱碳、渗碳现象，经测量剥落齿表面脱碳层深度约为963 μm，渗碳层深度约为816 μm,如图11所示；齿轮剥落位置存在多条微裂纹，且裂纹方向一致，为穿晶扩展，如图12所示。

图9 完好齿显微组织形貌Fig.9 Microstructure morphology of the good tooth
图10 剥落齿显微组织形貌Fig.10 Microstructure morphology of the peeling tooth
图11 剥落齿表面脱碳层和渗碳层形貌Fig.11 Morphology of the surface decarburized layer and carburized layer of the peeling tooth
图12 齿轮剥落位置裂纹形貌Fig.12 Morphology of cracks of the gear peeling position
2 综合分析
由上述理化检验结果可知，该表面金属剥落齿轮的化学成分、显微组织、硬度等均符合要求，裂纹为剥落过程中产生的。

润滑油油样分析结果显示，润滑油中的水含量为1.7%，远超过标准要求。

水含量超标会使润滑油油膜强度降低，增大齿轮间的摩擦力，使齿面在接触疲劳应力作用下逐步形成坑点[3]。

润滑油水含量超标还会使润滑油的黏度降低，润滑油黏度降低使油膜强度降低、表面接触应力增大。

搅拌器减速箱的主动齿直径小、转速高、齿数少(14个)，承受较频繁的反复应力，主动齿轮上，滑动方向与表面的滚动方向相反，导致表面的金属拉伸，加速凹坑的形成。

因此，在应力及腐蚀作用下，主动齿先于从动齿形成凹坑，油在缝隙中起着油楔作用，在压力作用下部分凹坑逐渐连接起来[4-6]。

根据锥齿轮磨损面积可以看出，内弧面磨损接触面积较大；由宏观检查可以看出，凹坑均发生在内弧面中间部位。

凹坑的上边缘在接触疲劳应力作用下发生剥落，该部位的剥落逐步向齿顶层层扩展，并形成如图3所示的剥落棱线，直至齿顶。

齿外弧的磨损面磨损位于齿中间部位且靠近齿顶，外弧磨损接触面较小，单位面积承受压力较大，因此当A面剥落至齿顶位置时，在接触疲劳应力作用下，沿齿顶腐蚀部位在渗碳层与心部之间强度较低的脱碳层形成整体开裂，并逐步扩展直至剥落。

3 结论及建议
润滑油水含量超标是造成该螺旋伞齿轮表面金属剥落的主要原因，水含量超标使润滑油黏度降低，齿轮间摩擦力增大，齿面在接触疲劳应力作用下逐渐形成凹坑，并造成金属剥落。

建议定期对润滑油外观、水含量、黏度等质量相关指标进行检测；对减速箱做好防水措施，防止水分进入，对密封结构做出相应的更换周期要求；在齿轮投用前对其进行严格验收；严格执行《设备润滑管理规定》的其他相关要求。

参考文献：
【相关文献】
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[2] 王仁智,吴培远. 疲劳失效分析[M]. 北京:机械工业出版社,1987.
[3] 肖伟中. 齿轮硬化层疲劳剥落强度研究与应用[D]. 北京:机械科学研究总院,2016.
[4] 本书编委会. 齿轮手册(下)[M]. 北京:机械工业出版社,2006.
[5] 高占峰. 采煤机减速箱轴齿轮开裂原因分析[J]. 理化检验(物理分册),2018,54(7):540-544.
[6] 苏乐,王培科. 采煤机二轴齿轮片状剥落与断齿原因分析[J]. 理化检验(物理分
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