Шестерня - самый важный компонент коробки передач. Во время работы поверхность зуба испытывает контактное напряжение, а корень зуба - изгибное напряжение. Поэтому формы разрушения зубчатых колес подразделяются на точечную коррозию и отслаивание из-за усталости поверхности зуба и разрушение зуба из-за усталости корня зуба.
Науглероживание и закалка - наиболее широко используемые и разработанные процессы для высокоскоростных и тяжелонагруженных передач.
Этот метод позволяет одновременно улучшить контакт с поверхностью зуба усталостная прочность и усталостной прочности при изгибе корня зуба. Однако науглероживание и процесс закаливания является сложной, и в процессе термообработки могут возникать различные дефекты, которые могут привести к раннему выходу из строя шестерни.
Во время испытания на усталостную прочность новой трансмиссии, разработанной нашей компанией, одна из шестеренок сломалась.
Согласно техническому заданию на проектирование, необходимо материал шестерни 8620H. Она подверглась науглероживанию и закалке, а затем была закалена при низкой температуре. Эффективная глубина закаленного слоя составляет 0,8-1,3 мм, поверхностная твердость - 58-64HRC, а твердость сердцевины - 30-45HRC.
Чтобы определить причину разрушения зуба, мы провели испытания и проанализировали морфологию разрушения, материал и качество термообработки.
На рисунке 1 показан общий вид вышедшей из строя шестерни. Несколько зубьев сломаны у корня, а количество сломанных зубьев превышает половину от общего числа зубьев.
Макроморфология излома представлена на рисунке 2.
Судя по морфологии трещин, большинство из них имеют явные признаки усталостное разрушение характеристики. Источник перелома расположен у корня зуба.
Гладкая и излучающая наружу зона усталостного расширения составляет примерно 1/3 - 1/2 от общей площади корня.
Поверхность трещин в зоне переходного разлома шероховатая и темно-серая.
Кроме усталостных разрушений, некоторые разрушения зубчатых колес не показывают усталостное разрушение характеристики и являются результатом однократных перегрузочных разрушений.
Рис. 1 Общий вид сломанных зубов
Рис. 2 Морфология излома
После отбора образцов морфологию излома наблюдали с помощью сканирующего электронного микроскопа.
На рисунке 3 показан внешний вид источника трещин.
Источник трещины расположен у корня зуба. Из рисунка видно, что источник трещины не сходится к точке, а является линейным.
Поверхность источника трещин гладкая из-за многократного трения и выдавливания.
При дальнейшем осмотре в месте образования трещины видны черные аномальные структуры (см. рис. 4).
Микроскопическая морфология зоны усталостного роста при увеличении в 1000 раз представлена на рис. 5.
При большом увеличении видны усталостные полосы и радиальные призмы.
На рисунке 6 показано, что переходная зона разрушения имеет вид ямки+квазискалывания, что свидетельствует о хорошей вязкости центра шестерни.
Рис. 3 Источник трещин
Рис. 4 Черная структура источника трещин
Рис. 5 Разрушение при распространении усталости
Рис. 6 Морфология ямки+квазискалывания в зоне переходного разрушения
Для анализа химического состава были отобраны образцы из разрушенного механизма, результаты представлены в таблице 1.
Согласно анализу, химический состав шестерни соответствует техническим требованиям стандарта SAEJ1268 для стали 8620H.
Таблица 1 Результаты испытаний химического состава (массовая доля) (%)
| Элемент | C | S | P | Si | Mn | Cr | Ni | Мо | Cu |
| Стандартное значение | 0.17~0.23 | ≤0.040 | ≤0.030 | 0.15~-0.35 | 0.60~0.95 | 0.35~0.65 | 0.35~0.75 | 0.15~0.25 | ≤0.35 |
| Значение обнаружения | 0.22 | 0.017 | 0.010 | 0.28 | 0.87 | 0.58 | 0.45 | 0.18 | 0.086 |
Чтобы проверить качество термообработки, положите не сломанную шестерню рядом со сломанной.
Твердость поверхности составляет 61 HRC, а твердость сердцевины - 45 HRC.
Поверхностная структура состоит из мартенсита и сохранившегося аустенитс содержанием аустенита около 15%. Центр состоит из рейки мартенсит и небольшое количество бейнита.
Эффективная глубина упрочненного слоя при высоте зуба 1/2 составляет 1,01 мм.
Шестерня подверглась науглероживанию и закалке, все показатели термообработки соответствуют требованиям конструкции, указанным в чертеже.
Чтобы подготовить образец, используйте прецизионный режущий станок разрезать шестерню по середине ширины зуба, а затем исследовать металлографическую структуру корня зуба на поверхности резания с помощью металлографического микроскопа.
При отсутствии коррозии (см. рис. 7) на корне зуба можно наблюдать серьезные черные ткани, распределенные сетью, со средней глубиной около 20 мкм. Индивидуальная глубина черных тканей достигает 30 мкм.
Прямая трещина берет начало в черной ткани корня зуба и распространяется внутрь перпендикулярно корню зуба.
Наблюдение после коррозии (см. рис. 8) показывает, что по обе стороны от трещины имеются нормальные науглероженные и закаленные структуры.
Металлографическое исследование двух торцевых поверхностей корня образца не выявило признаков трещин.
На основании вышеуказанного осмотра можно сделать вывод, что наблюдаемые трещины образуются в процессе эксплуатации, что позволяет предположить, что на протестированных зубцах образовались усталостные трещины, которые расширились, и испытание было остановлено до того, как произошло разрушение.
Если испытание будет продолжено, ожидается, что произойдет разрушение.
Согласно металлографическому анализу, трещина тесно связана с черной тканью у корня зуба.
Рис. 7 Черная ткань и трещина на корне зуба (500 ×） Коррозии нет
Рис. 8 Структура по обе стороны трещины (50 ×） 4% спиртовой раствор азотной кислоты
Большинство сломанных зубьев на вышедшей из строя шестерне вызваны усталостным разрушением, причем трещины начинаются у корня средней части ширины зуба.
Благодаря металлографическим наблюдениям и исследованиям корня зуба с помощью сканирующего электронного микроскопа стало очевидно, что черная ткань становится источником возникновения трещин во время эксплуатации зубчатого колеса.
По мере увеличения количества операций источник трещин расширяется, что в конечном итоге приводит к разрушению зубчатого колеса.
После науглероживания поверхностная микроструктура легированная сталь часто появляются точечные, сетчатые или полосчатые черные микроструктуры, распределенные по границам зерен.
Причина такого типа структуры заключается в том, что кислород, содержащийся в науглероживающей среде, диффундирует в сталь, образуя оксиды хрома, марганца, титанкремния и других элементов на границе зерен. Это приводит к обеднению элементы сплава на границе зерен, что приводит к снижению локальной прокаливаемости и появлению черных продуктов аустенитного распада, таких как троостит.
Исследования, проведенные как в стране, так и за рубежом, показывают, что наличие черной ткани значительно снижает твердость поверхности, усталостную прочность при изгибе и контактную усталостную прочность деталей, что негативно сказывается на сроке их службы.
Поэтому многие известные производители автомобилей, как отечественные, так и зарубежные, установили особые требования к глубине черной ткани. Например, немецкие автопроизводители, такие как Benz и BMW, требуют, чтобы глубина черной ткани не превышала 3 мкм.
Кроме того, FAW Group планирует уменьшить глубину черной ткани с менее чем 20 мкм до менее чем 3 мкм.
В результате проведенного выше осмотра и анализа становится очевидным, что глубина черной структуры в поверхностной металлографической структуре науглероженных и закаленных деталей требует строгого контроля. Контроль черной ткани в первую очередь начинается со следующих двух аспектов:
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
DE 
ES 