立磨在现场使用过程中，减速器行星齿轮经常出现非稳态振动，导致齿面损坏，严重影响立磨的综合性能。洛矿厂等单位早在 20 世纪八十年代就联合引进了当时世界上行业领先的德国公司的相关技术，在硬齿面和中硬齿面齿轮的设计制造方面取得了一系列的成果，产品设计制造技术日臻完善。近十余年以来，包括立磨减速器在内的不少国内大型齿轮传动产品已经替代进口，达到或接近国际先进水平。产品使用过程中出现的具体问题，需认真、细致地分析，才可能找到问题的症结所在，提出相应对策，从而促进产品技术进步。
齿面剥落是齿轮常见的失效形式之一，国内众多学者对齿轮的失效形式进行了研究。候学勤等人从轮齿断裂失效的类型、特征、原因及预防措施等方面进行了阐述;王德宝等人从齿轮的化学成分、金相组织、宏观和显微硬度及断口形貌等方面进行了检验分析;王金星等人从硬度方面分析得出了过厚的脆性硬化层是导致太阳轮齿面剥落的主要原因;张俊华等人从齿面疲劳点蚀方面分析了影响齿面剥落的因素及相应的预防措施;陈睿等人通过能谱成分分析、金相组织检查及硬度检测等方法对齿轮表面进行分析，得出局部应力过大是导致轮齿剥落的主要原因。
一、概述
某公司生产的大型立磨减速机拆机后发现，在行星轮齿面上存在剥落现象。该行星轮轮齿数量为 28 个，模数为 22;材质为 17Cr2Ni2Mo，经渗碳淬火处理后，有效硬化层为 3.5～4.8 mm，齿面硬度为 60HRC，芯部硬度≥35HRC。为确定行星轮齿面剥落的原因，分别对该行星轮剥落齿和正常齿取样，通过宏观分析、低倍分析、化学成分分析、显微硬度检测、力学性能检测、金相分析、微观断口分析及 X 射线残余应力分析等检测手段对剥落原因进行分析，并提出了相应的预防策略。
二、试验结果与分析
宏观分析
该行星轮齿面剥落情况如图 1 所示。在行星轮其中 1 个齿面上，靠近齿根位置存在一处长度约 60 mm、宽度约 3～8 mm、深度约 2 mm 的剥落坑，该剥落坑沿齿宽和磨削方向进行扩展。另外现场检测发现，该行星轮其他轮齿工作面上加工刀痕清晰可见，未见明显异常，且经着色探伤，未发现裂纹等缺陷。
低倍分析
将剥落齿及相邻位置轮齿采用线切割方式整体取样，磨光后使用 1∶1 盐酸水溶液电解腐蚀后检验，剥落齿及相邻轮齿齿面低倍形貌如图 2 所示。由图 2 可知，剥落齿和正常齿的齿面在近齿根位置都有龟状裂纹分布，范围都分布于齿根向上约 13 mm 的范围内，且沿齿宽方向通长分布;剥落区域完全分布在有裂纹的区域内，可见齿面剥落的产生与所在区域的裂纹密切相关。
化学成分分析
对该行星轮剥落齿的心部取样，分析其化学成分，结果符合标准 JB/ T 6396—2006《大型合金结构钢锻件技术条件》的要求。检测结果如表 1 所列。
微观断口分析
在轮齿剥落位置取样，使用 EVO-18 型扫描电子显微镜观察剥落位置的断口形貌。剥落位置沿晶断口形貌，如图 3 所示;剥落断口上开裂较早的位置因受挤压的作用形成摩擦痕迹，如图 4 所示;同时也发现受齿轮循环载荷影响形成的疲劳扩展条纹，如图 5 所示。分析认为，该轮齿区域的剥落层是在行星轮运转过程中产生的，在断口上未发现明显的冶金缺陷。
金相分析
在行星轮齿面剥落位置和正常位置切取金相试样，磨制抛光后，依据 GB/ T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检测法》对其非金属夹杂物进行检测评级。非金属夹杂物形貌如图 6 所示，评级结果如表 2 所列，符合该行星轮图纸技术要求。
经 4% 硝酸酒精溶液腐蚀后观察，齿面含裂纹区域的表层组织异常，颜色显示较深，裂纹走向与颜色异常区域形状相关联，如图 7 所示。颜色正常位置的金相组织主要为隐针回火马氏体，如图 8 所示，显微硬度为 710HV1;颜色异常位置的金相组织主要为回火屈氏体，如图 9 所示，显微硬度值为 540HV1，表明齿面上该区域发生了磨削回火烧伤现象。
轮齿心部组织为低碳马氏体+贝氏体，晶粒度为 7 级，未发现不良组织，如图 10 所示。
硬度梯度检测
在齿面靠近齿根的剥落区域和正常区域，使用 HVS-1000A 型维氏硬度计检测其硬度梯度，其硬度梯度曲线如图 11 所示。结果显示：该行星轮齿面有效硬化层深度为 4.2 mm，符合图纸技术要求;靠近齿根的剥落区域齿面表层约 1.0 mm 范围内较正常齿面 硬度明显降低。
力学性能检测
行星轮力学性能检测结果如表 3 所列。行星轮各项力学性能指标均符合图纸技术要求。
残余应力检测
采用 XStress3000 型 X 射线应力分析仪对齿轮裂纹处和裂纹附近表面及内部进行残余应力检测，其检测结果如表 4 所列。由表 4 可以看出，磨削烧伤位置表面压应力较正常位置显著减小，且随着距表面深度的增加，渗层内的残余应力变成拉应力并逐渐增加。
三、分析与讨论
通过以上理化检验分析可知，该行星轮化学成分、力学性能、有效硬化层深度等各项理化检测数据均符合相关图纸技术及标准要求。
低倍分析结果显示，剥落齿和相邻齿在近齿根位置都有龟状裂纹分布，发生在齿面根部向上约 13 mm 的范围内，沿齿宽通长分布;且在这一区域内，金相分析结果显示齿面存在回火烧伤情况;条状剥落区的边缘与烧伤区域边缘几乎一致。
齿面宏观分析结果显示，所有轮齿工作面上没有明显的磨损情况，齿面的加工刀痕清晰可见，可以排除齿面在啮合过程中因剧烈摩擦升温而产生组织转变。因此，判定该行星轮齿面的回火烧伤情况为行星轮在生产制造过程中的磨削回火烧伤。
正常情况下，渗碳齿轮在经过喷丸处理，其表面渗层内的残余应力应为压应力。而对剥落轮齿的残余应力检测结果显示，磨削烧伤位置的表面压应力较正常位置显著减小，且随着距表面深度的增加，渗层内的残余应力变成拉应力并逐渐增加。这是由于磨削回火烧伤使得渗层内的回火马氏体发生高温回火分解，导致回火区域硬度降低、原始应力释放，同时回火区域的体积收缩，从而在回火区域及其周边产生拉应力，两相叠加后表面压应力减小或变成拉应力。进而导致齿轮在运转过程中，在接触应力的作用下，齿面次表层的拉应力超过齿轮的强度极限和接触疲劳极限而产生初始裂纹。随着裂纹的扩展，最终导致齿面在烧伤区域发生剥落。
综合以上分析认为，该行星轮在齿面靠近齿根部区域发生了磨削烧伤，齿面磨削烧伤导致齿面组织改变、硬度降低，且齿面次表层产生拉应力，严重降低了轮齿的承载能力，使齿轮在啮合过程中形成疲劳扩展，从而过早发生齿面剥落。
四、预防对策
鉴于齿轮磨削烧伤问题对齿轮正常服役和寿命的严重影响，需要对烧伤齿轮予以及时地甄别和筛选。文献介绍了多种检测齿轮磨削烧伤的检测方法，其中磁弹法可以在工业生产中无损、快速、简单、便捷地检测齿轮磨削烧伤。磁弹法检测磨削烧伤的原理是，铁磁性材料的显微组织和残余应力发生改变会影响材料的巴克豪森噪声。需要注意的是，在生产实践中使用磁弹法检测磨削烧伤时，首先需要针对所检测的产品材料，制作一组标准试样，并在试验出最佳磁化电压后，确定磨削烧伤临界值作为判定依据。目前，国内团队针对微磁技术做了大量研究，研制了微磁无损检测仪，实现对渗碳齿轮齿面在线磨削烧伤检测，如图 12 所示。
五、结论
(1) 该行星轮齿面存在磨削烧伤现象，这是导致立磨减速器行星轮齿面剥落的主要原因。
(2) 齿面磨削烧伤导致齿面组织改变、硬度降低，且其次表层产生拉应力，严重降低轮齿的承载能力，使齿轮在啮合过程中形成疲劳扩展，从而过早发生齿面剥落损伤。
(3) 鉴于磨削烧伤对齿轮寿命的影响，建议采用微磁无损检测仪对烧伤齿轮进行甄别和筛选，避免使用过程中因磨削烧伤导致齿轮早期失效。
参考文献略.