選用正確潤滑油以控制齒輪微孔蝕 (一)

2007-09-05

選用正確潤滑油以控制齒輪微孔蝕 (一)

吳世榮

本文針對微孔蝕產生的來龍去脈，列出改善潤滑，避免微孔蝕的幾項應注意的方法供作參考，其中並非每個方法對各種條件狀況產生的微孔蝕都有效且可行，但是考慮得愈周全、執行得愈徹底，效果會愈明顯。
我們在先前的文章裡談到過，齒輪因金屬疲勞產生的微孔蝕是已經存在許久的問題。只是在早期這個現象並不被認為是會影響到齒輪正常運轉的主要問題，然而近年來跟隨著高效能齒輪設備的持續發展，微孔蝕已被證實會造成齒輪的精度受損、運轉不良，最終導致齒輪設備的使用壽命縮短。
從過去技術研究所建立的共同認知，微孔蝕的產生是因為輪齒兩界面間囓合相互接觸，表面加工後留下的粗糙凸出部持續的承受接觸的壓力，凸起部分的底層因塑性變形而致使金屬疲勞，隨後會有微小裂隙的產生，微孔蝕的出現，最後導致金屬的剝落。
基本上，各種的齒輪都可能會產生微孔蝕的現象，如正齒、斜齒、或螺旋齒輪等等。當然在各種的熱處理方法所產生的齒輪中，表面硬化處理的滲碳、氮化、感應硬化等齒輪及研磨加工過的齒輪，因運轉負荷的關係，似乎較容易產生微孔蝕，在這裡我們將更詳細的探討其問題、原由、和減除之道。

從實際加工的技術層次而言，無論是如何精密加工的齒輪表面，經特定的放大倍數觀察，都可以看到其粗糙凹凸不平的表層。這些表層粗糙的程度、規則及形狀等，按照其加工的技術條件及精密度而異，有些呈水紋狀的延伸，有些則是切削形成的螺旋狀，其中凸出的尖端和凹下的波谷之間可以有相當大的差異。當兩表面的尖端如上述的循環接觸摩擦干涉，經過金屬疲勞的階段之後，微孔蝕的現象開始產生。這些微孔蝕會沿著上述表面形狀的凸出高點開始漫延發展，如果表面隆起的脊線是平行的模式，則微孔蝕也會漸漸的形成一排排平行的狀況。

微孔蝕最初的發生大都出現在齒輪的節線之下或較偏向齒根部分，漸漸的漫延到整個齒腹。等到整個齒輪表面的凸出部分大都磨損去除之後，可能會減緩其發生的現象。但是如果其中所使用的潤滑油膜無法有效的提供抗磨支援保護，那微孔蝕的現象會持續的發展，造成較大片的金屬層剝落，甚至引起齒輪的撕裂。
談過了微孔蝕產生的現象和衍生的模式之後，接下來要探討其發生的詳細過程。在齒輪設備的運轉過程當中，微孔蝕會發生於彈性液動潤滑油膜的潤滑條件狀況下，這油膜厚度的形成和兩金屬間表層的粗糙度，以及潤滑劑和表面精度下的工作負荷有直接的關係。當大部分的負載由表面的粗糙部分來承受時，兩表面上的凸出部會相互衝擊干涉，按局部負荷的程度而造成彈性或塑性的變形。

潛伏醞釀期
當兩齒輪接觸時，除開正常的負荷所產生的接觸壓力之外，輪齒間滑動所造成的牽引力量全看凸出部的剪應力而定。在磨合初期的約略100~200個循環接觸裡，應力的產生是屬於潛伏期的階段，這段期間對齒輪的破壞基本上是對於凸出部所造成的塑性變形。而持續循環重覆的接觸一些時日之後，剪應力會在凸出部累積塑性變形，並且在較低的凹陷部分，塑性流變會產生抗拉殘餘應力，持續的累積這些塑性變形後，則開始產生疲勞裂痕。

成形、生長
經過上述的潛伏期醞釀之後，微孔蝕會快速的形成、生長並結合。在專業的顯微鏡監測下，由定期的檢測輪齒的輪廓變化可顯示其穩定的表面劣化情形。塑性變形的發展過程中，從初始階段、成長、結合裂痕的出現，會繼續的重覆著。根據研究觀察的記錄，這些輪齒的囓合接觸再經過百萬次的循環後，可能會產生廣大的破壞現象。
微孔蝕的開始，是由輪齒表面小部分的疲勞裂痕擴大到大面積的表層金屬剝落產生。微孔蝕從表層微小的裂隙連接到次表層主要的裂痕，而後使得一小片的材質分離出來。這所造成的坑洞非常微小且不易察覺，次表層裂痕的分佈較為廣大且嚴重。次表層主要的裂痕在不知不覺中會逐漸加深且漫延開來，這些微小的裂痕持續加大且造成許多小片的材質剝落。由於這些細微的碎屑很不容易以濾網來去除，所以這些存在於潤滑油中的粒子就如同研磨拋光的介質，在已發生微孔蝕和尚未產生微孔蝕的齒輪表面造成較嚴重的磨損。