40Cr鋼為低合金中碳結構鋼,其主要含有Mn、Cr、Ni等合金化元素,合金化元素的主要作用是提高鋼的淬透性和綜合力學性能。40Cr鋼的熱處理制度為淬火＋高溫回火,故又稱其為低淬透性調質鋼[1]。調質狀態40Cr鋼具有較高的強度、韌性等綜合力學性能,被廣泛用于制造軸、齒輪、緊固件、軸承等各種機械零件,這些零件廣泛應用于汽車、機床、工程機械、電站設備等裝置中[2]。 

某電機轉動軸零件的材料為40Cr鋼,根據圖紙要求對零件的外形尺寸進行機械加工。對齒輪心部進行調質處理,其硬度要求為31～35 HRC,齒輪表面經高頻淬火后中溫回火,其硬度要求為48～52 HRC,對與齒輪配套的齒輪軸套進行調質處理,其硬度要求為38～42 HRC。在運行測試約35 h后,電機轉動軸的齒輪發生了磨損現象。電機的轉速為2 800 r/min,測試過程中電機運轉不穩定,存在明顯跳動現象。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了轉動軸磨損的原因,并提出了改進措施,以避免該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

對磨損齒輪進行宏觀觀察,結果如圖1所示,可以發現齒輪與齒輪軸套接觸部位的齒牙大部分磨損消失,齒牙中間區域殘留較多。 

圖  1  磨損齒輪的宏觀形貌

將齒輪和配套使用的齒輪軸套進行分割,分割后兩者的宏觀形貌如圖2所示,可見齒輪軸套的齒牙相對完整,除個別齒牙尖角處有擠壓痕跡,其他部位完好無損。 

圖  2  齒輪與齒輪軸套分割后的宏觀形貌

利用體視顯微鏡對磨損齒輪進行宏觀觀察,結果如圖3所示,齒輪表面呈現金屬氧化后的顏色,齒牙外表面大部分磨損消失。 

圖  3  磨損齒輪體視顯微鏡下的宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在齒輪磨損部位取樣,對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示,轉動軸齒輪的化學成分滿足GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》對40Cr鋼的要求。 

1.3   掃描電鏡(SEM)分析

將分割后的齒輪置于掃描電鏡下觀察,結果如圖4所示。由圖4可知：齒輪大部分磨損消失,齒輪齒牙中間區域殘留較多；殘留區域表面可見擠壓、摩擦形成的具有一定方向性的痕跡,表面大部分被金屬粉末或氧化物覆蓋,可見較多細小的顆粒,裸露出的金屬表面存在細小壓痕或孔洞；齒輪殘留部位局部可見擠壓形成的殘留物。齒輪與齒輪軸套之間存在磨粒磨損的痕跡,磨粒磨損是當摩擦副一方表面存在堅硬的細微凸起,或在接觸面之間存在硬質粒子時產生的一種磨損[3]。 

圖  4  磨損齒輪的SEM形貌

1.4   金相檢驗

分別在垂直于齒輪軸向方向的正常部位和磨損部位(中間保留較多的部位)取樣,將試樣進行鑲嵌、磨拋、腐蝕處理,然后置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖5所示。由圖5可知：正常部位與磨損部位齒牙截面的顯微組織均未見疏松、夾雜等冶金缺陷,兩者顯微組織無明顯差別；磨損部位的齒牙已部分消失,且邊緣有擠壓磨削殘留的余屑；磨損部位齒牙表面和心部的顯微組織均為回火馬氏體。 

圖  5  齒輪正常部位和磨損部位的顯微組織形貌

工藝設計中對轉動軸齒輪心部顯微組織的要求為淬火＋高溫回火后的回火索氏體,回火馬氏體是立方馬氏體與ε－碳化物的混合組織,回火索氏體為等軸狀鐵素體與粒狀滲碳體的混合組織。與回火馬氏體相比,回火索氏體具有較好的綜合力學性能,即較高的強度和硬度,較好的塑性和韌性。轉動軸齒輪心部組織異常,使轉動軸齒輪心部硬度偏高、韌性下降,進而導致轉動軸齒輪加速磨損。此外,磨損齒輪齒頂表層的晶粒尺寸較大,使齒頂表層材料的強度降低、脆性傾向增大[4]。 

1.5   硬度測試

對轉動軸齒輪軸套進行硬度測試,可知其內表面硬度為46 HRC,端面硬度為44 HRC。 

對轉動軸齒輪表面進行硬度梯度測試,心部進行維氏硬度和洛氏硬度測試,結果如表2所示。由表2可知：轉動軸齒輪表面正常部位的維氏硬度為509～532 HV,換算成洛氏硬度為50～51.3 HRC；齒輪表面磨損部位的維氏硬度為434～532 HV,換算成洛氏硬度為45～51.3 HRC,齒輪表面磨損部位硬度偏低；轉動軸心部的維氏硬度為529 HV,換算成洛式硬度為51 HRC,轉動軸心部硬度偏高。 

壓入法硬度表征了金屬的抗塑性變形能力及抗應變硬化能力,工藝設計中對轉動軸齒輪及齒輪軸套的硬度要求為：齒輪軸套硬度為38～42 HRC,齒輪表面硬度為48～52 HRC,齒輪心部硬度為31～35 HRC。正常情況下,應該是齒輪軸套先發生磨損,但該轉動軸齒輪磨損部位齒頂表層的晶粒偏大,使齒頂表層材料的強度降低、脆性傾向增大,磨損部位齒頂距表面0.2 mm處的硬度僅為45 HRC,齒輪軸套內表面的硬度為46 HRC。因此,齒輪軸套運行時易造成齒輪發生變形以及齒頂表層材料缺失,缺失的材料使齒輪和齒輪軸套發生磨粒磨損,且轉動軸心部的硬度偏高,加速了轉動軸齒輪的磨損。 

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結果可知：轉動軸齒輪的化學成分滿足標準要求；轉動軸齒輪工作部位的齒牙大部分磨損消失,齒牙兩端磨損較多,齒牙中間磨損較少；磨損部位齒牙表面有摩擦擠壓痕跡,該痕跡具有一定的方向性；轉動軸齒輪的顯微組織未見疏松、夾雜等冶金缺陷,轉動軸心部的顯微組織異常,磨損齒輪齒頂表層晶粒尺寸偏大；轉動軸心部硬度偏高,轉動軸齒輪表面磨損部位硬度偏低,齒輪軸套內表面硬度偏高。 

該轉動軸齒輪磨損部位齒頂表層的晶粒尺寸偏大,晶界對位錯運動具有阻礙作用,且晶界兩側晶粒之間的滑移系不連續,使位錯不能越過晶界繼續滑移,位錯在晶界處發生塞積,形成了應力集中。同一晶粒的晶界越長,應力集中程度越嚴重,因此較大的晶粒尺寸使齒頂表層材料的強度降低、脆性傾向增大。與該轉動軸齒輪匹配的齒輪軸套硬度偏高,電機轉動軸實際運行時,齒輪軸套易造成轉動軸齒輪的變形與齒頂表層材料的缺失,齒頂表層缺失材料形成的磨粒會對齒輪和齒輪軸套造成磨粒磨損,從而在殘留齒牙表面形成有一定方向性的摩擦擠壓痕跡。此外,該電機轉動軸齒輪經調質處理后,轉動軸心部組織為回火馬氏體,轉動軸心部硬度偏高,導致轉動軸齒輪的整體韌性不足,加速了轉動軸齒輪齒頂表層的磨粒磨損。當齒頂表層材料磨損至一定程度后,轉動軸齒輪與齒輪軸套產生較大的配合間隙,高速運轉的電機將產生跳動現象。電機跳動時,轉動軸齒輪齒頂表層還會受到沖擊作用和扭轉應力,齒輪工作部位受力不均使轉動軸齒輪加速磨損,最終轉動軸齒輪與齒輪軸套接觸部位的齒牙大部分磨損消失,只剩齒牙中間殘留區域。 

3.   結論與建議

轉動軸齒輪磨損的原因為：齒輪與齒輪軸套的熱處理工藝控制不當,使齒頂表層晶粒尺寸偏大,齒頂表層材料的強度降低、脆性傾向增大；與該轉動軸齒輪匹配的齒輪軸套硬度偏高,造成轉動軸齒輪發生變形以及齒頂表層材料缺失,缺失的材料形成了磨粒,產生磨粒磨損現象；轉動軸心部硬度偏高,加速了齒輪的磨損過程,齒牙慢慢剝落,引起電機跳動,最終轉動軸齒輪與齒輪軸套接觸部位的齒牙大部分磨損消失。 

建議加強對電機轉動軸齒輪和齒輪軸套熱處理工藝的控制,避免出現轉動軸齒輪齒頂表層晶粒尺寸偏大、轉動軸心部硬度偏高與齒輪軸套內表面硬度偏高等問題。 

文章來源——材料與測試網