12种模式的齿轮传动部件的失效分析

作者：郝丰林，宋东野

单位：江苏双环齿轮有限公司

来源：《金属加工（热加工）》杂志

齿轮工作条件复杂，在不同工作条件下使用，齿轮造成失效的特征是不同的。齿轮在运转过程中，在齿根产生弯曲应力；在齿面产生接触应力；齿面间的相对滑动摩擦而产生磨损。有时齿轮由于安装或设计的问题，齿侧间隙过大，在啮合过程中产生冲击。齿轮由于弯曲力矩而造成齿的变形和折断；由于接触应力造成表面疲劳剥落和由于摩擦作用造成磨损，从而造成齿轮失效。不同的材料、加工工艺、使用场合，有不同的失效形式。对于齿轮失效主要是表面接触疲劳失效，分为：麻点疲劳剥落、浅层疲劳剥落、硬化层剥落三种形式；齿轮弯曲断齿分为：疲劳断齿、过载断齿。齿轮磨损失效分为：磨粒磨损、腐蚀磨损、胶合磨损、齿端冲击磨损；齿面塑性变形失效分为：塑性变形、压痕、塑变折皱。

据相关文献资料统计，35年中的931个齿轮损坏实例，失效比例如下：疲劳断齿占32.8%；过载断齿占19.5%；轮齿碎裂占4.3%；轮毂撕裂占4.6%；表面疲劳占20.3%；表面磨损占13.2%；齿面塑性变形占5.3%。在使用过程中由于选材、加工工艺、热处理问题或装配问题造成失效，本文针对这方面的模式进行逐一分析。

热处理后心部硬度或高或低

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由于变形要求严格，为了降低心部硬度，减少花键、齿轮变形而降低冷却效果，变形达到要求但齿根部位非马氏体连片，齿轮在使用过程中造成从齿根断裂。或由于选材不当造成齿轮热处理后心部硬度过高，造成冲击韧度降低，从节圆处断裂。

改善办法：

1）对于花键要求严格，可以采用热处理后硬拉，达到尺寸合格要求。

2）对于心部硬度过高，可以选择合适的材料或更换冷速缓和的淬火油。

3）对于非马氏体超标的齿轮进行强力喷丸。

表面组织不良

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主要是指齿根出现晶间氧化及非马氏体、碳化物不良、残留奥氏体超差等。对于齿根出现晶间氧化及非马氏体主要原因是选择的材料淬透性太差、选用的淬火油不合适、装夹不当、热处理前清洗不良、使用的淬火冷却介质杂质太多等。对碳化物及残留奥氏体超差主要是热处理工艺不当。

改善办法：

1）选择合适淬透性的材料。

2）选用冷速合适的淬火油。

3）使用专用热处理工装。

4）使用有机清洗剂。

5）使用合格的淬火冷却介质。

6）优化热处理工艺。

7）对于非马氏体超标的齿轮进行强力喷丸。

齿轮热处理后磨齿

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由于热处理不良，含有过多的残留奥氏体、碳化物；选用的砂轮型号不合适，冷却不充分，磨削参数不合理，使齿轮在磨削过程中造成磨削烧伤甚至磨削淬火；或齿轮由于变形造成磨削量不均匀、齿部硬化层不均，或磨齿的过程中磨削齿根。由于以上原因造成齿轮在使用过程中失效，如图1所示。

改善办法：

1）优化热处理工艺。

2）优化组织。

3）减少变形。

4）根据设备厂家的建议选择合适的砂轮、合适的加工参数，磨削过程对于齿轮进行烧伤检测。对于齿根出现磨削的增加强力喷丸。

图1  磨齿的失效

渗碳淬火后心部组织粗大

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对于冷锻齿轮、温锻齿轮、冷拉料等，正火后没有发现组织缺陷，渗碳淬火后组织尤其是心部组织粗大（见图2），在使用过程中造成失效。

图2 心部组织粗大

改善办法：

1）对于有加工余量的可以采用940~950℃高温正火。

2）对于一次正火不合格的材料进行二次正火。

3）对于表面不准氧化脱碳的工件可以采用两端抽真空的棍棒式等温正火炉。

4）对于使用渗碳淬火炉的工序增加中冷工艺，这样可以对一次正火不合格但没有被发现的工件，采用中冷淬火工艺来保证组织合格。

齿轮轴类件卡簧槽加工缺陷

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齿轮轴类零件设计有卡簧槽，由于使用的刀具不是成形刀，造成卡簧槽加工缺陷；或轴类零件渗碳淬火后变形太大，在渗碳淬火后校直压伤，使用过程中造成断裂，如图3、图4所示。

图3 轴类件

图4 断裂宏观形貌

改善办法：

1）使用成形刀具加工，或对于卡簧槽涂防渗剂。

2）使用带有裂纹探测仪的校直设备。

螺纹齿轴类脆性断裂

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齿轴类产品端部或中间有螺纹，渗碳过程中没有防渗，或防渗达不到客户图样要求，需要增加感应退火或盐浴退火。由于退火工艺不当造成螺纹二次硬化，在使用过程中造成脆性断裂（见图5）。

图5 螺纹齿轴类脆性断裂

改善方法：

螺纹采用感应退火，螺纹退火后放到耐火石棉中缓冷。

延迟裂纹和焊接裂纹

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有些齿轮与齿轴，热处理后通过花键结合在一起，或采用一定的过盈量，或焊接在一起传递扭矩。由于齿轮壁薄或过盈量太大造成延迟裂纹，焊接时由于焊接工艺不当或焊接部位碳层没有完全去除，造成焊接裂纹，在使用过程中产生早期失效。

改善方法：

1）对内花键或内孔采取保护措施，内孔涂防渗剂，加堵塞降低内孔和内花键的碳层或表面硬度，来提高内孔或内花键的韧性，防止延迟裂纹。

2）焊接件需在焊接部位涂防渗剂或加大余量防止焊接部位渗碳，采取焊前预热、焊后缓冷的工艺。

变形太大导致局部接触

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齿轮热处理后由于变形太大，精度下降太多，使齿轮在运行过程中齿部局部接触，造成失效。

改善方法：

1）对于大的盘类零件采取压淬的措施，保证齿轮精度。

2）对于轴类件中一些齿比较宽的工件采取热处理后磨齿，提高齿轮接触精度。

弧齿锥齿轮失效

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弧齿锥齿轮热处理后由于变形太大，齿轮精度等级降低，在使用过程中局部应力过高造成断齿。或在配对研磨过程中由于选用的研磨砂、研磨工艺不合适，造成工件研磨烧伤，齿轮表面硬度、耐磨性降低，齿轮在使用过程中产生早期磨损失效。

9.1 弧齿锥齿轮磨损

（1）弧齿锥齿轮轻度磨损

如图6所示，特征为啮合齿面刀纹磨平，轮齿表面非常光滑，有磨损波纹。齿根处不形成台阶，齿厚没有明显变化。

图6 轻度磨损

产生原因：由于使用不当而造成的损坏。

1）润滑油黏度差，从而造成润滑油膜厚度不够。

2）使用时严重超载。

3）装配不当，如主动齿轮轴颈预紧力不够、轴承间隙大等，造成齿轮运转时轴向窜动，使啮合齿面逐渐磨损从而导致齿轮失效。

（2）弧齿锥齿轮严重磨损

如图7所示，特征为工作齿面材料大量磨掉，轮齿齿廓形状破坏，如齿顶磨尖、齿根变瘦、轮齿根部磨成台阶、运转时噪声加剧以及齿轮早期失效。

产生原因：系统严重振动，润滑油系统和密封装置不良，齿轮常在边界润滑或接近边界润滑状态下工作，油膜建立不起来或油膜厚度不够，导致啮合齿面大量磨损。

图7 严重磨损

（3）齿面磨损条纹

如图8所示，特征为由于摩擦，啮合齿面沿滑动的方向形成较均匀条状摩擦痕迹，齿轮不能平稳运行。

产生原因：由于角齿预紧力不够，轴向间隙过大，齿轮运转不平衡；或润滑油被污染，外来的硬质颗粒在润滑过程中侵入到相啮合的齿面之间，由于磨粒的切削作用，将轮齿表面材料刮掉，造成两接触齿面的擦伤条纹。

图8 齿面磨损条纹

（4）齿面胶合

如图9所示，特征为轮齿啮合面由于严重摩擦而磨损，齿面局部金属过热，沿运动方向出现明显的撕裂沟槽。

产生原因：润滑系统严重缺油，润滑不充分致使齿面温度急剧上升，金属熔化，相互粘合，在随后的滑动中又被撕开，在齿面形成撕裂沟槽，造成齿轮失效。这也是由于使用问题所造成的。

图9 齿面胶合

9.2 齿面疲劳

（1）早期点蚀

如图10所示，特征为齿面磨光，齿面呈麻点状疲劳剥落凹坑。剥落坑比较浅小，呈针眼状或芝麻状，深度0.1~0.2mm，截面呈不对称的“V”字形，此类疲劳裂纹首先从齿表面产生，然后向里层扩展，最后剥落形成麻点。

产生原因：早期点蚀是由于产品加工质量缺陷造成，切削加工时齿形误差大、齿面表面粗糙度差、轮齿节圆与内孔不同轴而使轮齿啮合状态差，造成运转时齿面局部区域早期疲劳损坏；或由于齿面硬度、接触疲劳强度低，从而引起的失效现象。

图10 麻点剥落

（2）破坏性点蚀

如图11所示，特征为破坏性点蚀的剥落坑比早期点蚀的相对大而深，首先出现在靠近节圆的齿面上，然后不断扩展，最后导致轮齿失效。

产生原因：由于材料或加工及热处理质量问题造成疲劳强度显著降低，齿面承受的应力大于材料强度。随着应力循环次数的增多，点蚀不断扩展形成点蚀坑。

图11 破坏性点蚀

（3）齿面剥落

如图12所示，特征为齿面上的材料成片剥离。剥落的金属比点蚀大，齿面剥落的厚度约等于产品渗碳淬火有效层厚度，形成的剥落坑底部与齿面基本保持平行，侧面垂直于表面。

产生原因：经表面硬化的轮齿，由于材料缺陷、热处理后金相组织超级、有效硬化层浅、硬度梯度过陡等原因，使轮齿表面层和次表面层材料的接触疲劳强度显著降低。由于运转时齿面的次表层所承受的外应力较高，裂纹首先在次表层内产生，再向表面延伸和扩展，最后形成剥落坑。

图12 齿面剥落

（4）使用性疲劳

如图13所示，特征为齿面有明显的波纹痕迹，齿面上的材料成片脱落，形成点蚀坑或剥落坑，齿根有磨损台阶，部分齿轮还有塑性变形现象。

产生原因：齿轮在交变应力的作用下，齿面先出现磨损，使得齿面硬度下降，然后金属产生剥落而失效。

图13 使用性疲劳

9.3 塑性变形

如图14所示，特征为齿面出现鳞状皱纹或塑性变形，鳞纹垂直于轮齿滑动方向而沿齿形分布。

产生原因：齿轮运转过程中，润滑不良，油膜厚度不足，齿轮系统振动面在工作齿面间产生“爬行”（黏附滑动现象）的结果。

图14 鳞状皱纹

9.4 轮齿折断

（1）异物打坏

如图15所示，表现为由于其他零部件损坏，造成轮齿早期失效。

图15 异物打坏

（2）过载折断

如图16所示，特征为呈半齿断裂，断口呈斜面，粗糙不平。断口没有疲劳断口的特征，没有疲劳扩展区，断口呈瞬时折断的形貌。

产生原因：由于操作不当而产生巨大的瞬间冲击载荷造成损坏。轴承损坏，较大的硬质异物进入啮合处都会造成过载折断。

图16 过载折断

改善方法：优化材料，优化热处理工艺，减少变形，对于变形大的产品对研磨后的齿轮进行烧伤及表面粗糙度检测。对于变形较大的盘齿进行压淬处理，提高齿轮精度。

轴心裂纹

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对于一些齿轴类锻件产品由于齿部与轴部尺寸相差太大，局部位置锻造比太大，造成裂纹。在精加工时发现裂纹（见图17），一些楔横札类轴类也容易在轴心出现裂纹（见图18）。

改善方法：对于此类齿轮在粗车后100%进行超声波检测。

图17 精加工裂纹                    图18 轴心裂纹

硬化层不均导致裂纹

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对于一些盘类齿轮进行感应淬火，由于频率选择不合适，感应器设计精度低，机床精度不够，造成齿轮硬化层不均，齿轮淬火后出现裂纹，台架试验失败。

改善方法：

1）选择合适的频率，采用机加工感应器，保证机床精度。

2）齿轮感应淬火后先对齿轮进行纵剖（见图19a），检测硬化层形状，根据形状对上下位置进行调整；在齿轮圆周方向按照90°方向切割4块，检测硬化层均匀性（见图19b）。对于齿轮上中下3个位置检测硬化层及硬度的均匀性。

3）当频率高时尽量加强检测齿根，当频率低时尽量检测齿顶。

4）对于感应淬火工件要全部进行磁粉检测，防止裂纹件流到下一工序。

图19 硬化层检测

R角、孔口和凸台处裂纹

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对于一些轴类零件采用扫描感应淬火，由于感应器设计问题，工艺不当造成一些R角位置硬化层不够，甚至断开。对于轴类采用整体感应淬火，对于一些孔口位置、凸台等由于尖角效应淬火容易出现裂纹，有时也由于回火不及时产生延迟裂纹。

改善方法：

1）对于轴类齿轮感应淬火后进行纵剖，检测硬化层形状及硬化层均匀性。

2）对于感应淬火后的工件进行及时回火。

3）对于所有齿轮进行磁粉检测。

以上是笔者在工作期间接触到比较常见的齿轮的几种失效情况，希望对从事齿轮生产设计的同行有借鉴作用。