摘 要:某型號(hào)風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,其齒輪箱中的齒輪軸發(fā)生斷齒。采用宏觀觀察、斷口分析、 能譜分析、硬度測試、金相檢驗(yàn)等方法對(duì)其斷齒原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明:齒輪軸齒部斷裂特征為 疲勞斷裂,裂紋源處存在大尺寸 B類氧化鋁夾雜物,引起該處明顯的應(yīng)力集中,導(dǎo)致齒輪軸發(fā)生斷 齒。最后提出了整改措施,經(jīng)過整改后,該風(fēng)機(jī)齒輪軸未出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象。
關(guān)鍵詞:風(fēng)電齒輪箱;齒輪軸;斷齒;疲勞斷裂;大尺寸夾雜物
中圖分類號(hào):TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2022)10-0075-04
齒輪軸是風(fēng)電齒輪箱的核心部件,一端用來嚙 合齒輪,另一端用來過盈裝配大齒輪,其承受的彎曲 應(yīng)力較大,在使用過程中容易發(fā)生斷齒。齒輪軸的 材料為 18CrNiMo7-6 鋼,其 一 般 的 生 產(chǎn) 工 藝 流 程 為:煉鋼→鍛造→鍛后正回火→粗加工→滲碳淬火 →精加工。某風(fēng)電齒輪箱在運(yùn)轉(zhuǎn)了約10個(gè)月后,其 齒輪軸發(fā)生斷齒,齒輪軸結(jié)構(gòu)示意及斷齒的齒輪軸 宏觀形貌如圖1所示。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方 法對(duì)該齒輪軸的斷齒原因進(jìn)行分析。
1 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
用線切割的方式對(duì)齒輪軸斷齒部分進(jìn)行切割取 樣 ,斷齒的宏觀形貌如圖2所示。整個(gè)齒輪軸只有一顆齒發(fā)生了斷裂,斷口宏觀形貌完整,無磨損、銹 蝕情況,其余輪齒較完整。從未斷裂齒面情況來看, 齒面嚙合痕跡比較清晰,軸向和徑向嚙合面積大于 95%,不存在偏載情況,初步排除由于齒輪裝配或齒 輪傳動(dòng)異常導(dǎo)致斷齒的可能。
齒輪軸斷口處的宏觀形貌如圖3所示,圖3中 存在明顯的疲勞弧線[1],根據(jù)裂紋源的擴(kuò)展方向可 以判斷裂紋源的位置,裂紋源位于次表面,斷口屬于 單一裂紋源疲勞斷裂。
1.2 化學(xué)成分分析
從斷齒上取樣,按照 GB/T4336—2016《碳素鋼 和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā) 射光譜法(常規(guī)法)》,用直讀光譜儀分析斷齒心部的 化學(xué)成分,結(jié)果如表1所示,結(jié)果符合 EN10084— 2008《滲碳鋼交貨技術(shù)條件》對(duì)18CrNiMo7-6鋼的 要求。
1.3 掃描電鏡(SEM)分析
采用SEM 對(duì)裂紋源進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖4所
示,由圖4可知:裂紋源處存在與周圍基體明顯不同
的物質(zhì),長度約2~3mm,疑似為夾雜缺陷,裂紋從
裂紋源處向四周擴(kuò)散,存在明顯的疲勞弧線和輝紋,
裂紋源附近區(qū)域呈準(zhǔn)解理微觀形貌。
1.4 能譜分析
采用能譜分析儀對(duì)裂紋源處的疑似夾雜物進(jìn)行
分析,結(jié)果如圖5所示,由圖5可知:裂紋源處 Al,O
元素 含 量 異 常,遠(yuǎn) 高 于 標(biāo) 準(zhǔn) EN 10084—2008 對(duì)
18CrNiMo7-6鋼的要求,分析可知該夾雜物屬于 B
類氧化鋁夾雜物。
1.5 齒面磨削燒傷檢測
切取 斷 齒 和 非 斷 齒 的 齒 面,按 標(biāo) 準(zhǔn) GB/T
17879—1999《齒輪磨削后表面回火的浸蝕檢驗(yàn)》進(jìn)
行磨削燒傷檢測,未發(fā)現(xiàn)磨削燒傷痕跡,說明不存在
生產(chǎn)制造或使用維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致高溫?fù)p毀的情況[2]。
斷齒和非斷齒齒面浸蝕后的宏觀形貌如圖6所示。
1.6 硬度測試
在斷 齒 的 表 面 和 心 部 取 樣,按 標(biāo) 準(zhǔn) GB/T
230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分:
試驗(yàn)方法》進(jìn)行硬度測試,結(jié)果如表2所示,表面硬
度的 平 均 值 為 60.3 HRC,心 部 硬 度 的 平 均 值 為
33.7HRC,結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。
1.7 齒面滲碳層深度和硬度梯度分析
從斷齒上取樣,按照 GB/T9450—2005 《鋼件
滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》測試其硬度梯
度,結(jié)果如表3所示,齒面硬度梯度曲線如圖7所
示,滲碳層深度為2.0mm,滿足設(shè)計(jì)要求。
1.8 金相檢驗(yàn)
從斷齒上取樣,用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇 溶液腐蝕,按照J(rèn)B/T6141.3—1992 《重載齒輪 滲 碳金相檢驗(yàn)》,用光學(xué)顯微鏡評(píng)定斷齒表面和心部的 顯微組織,結(jié)果如圖8所示,由圖8可知:斷齒表面 組織為細(xì)針狀馬氏體、殘余奧氏體和碳化物(2級(jí)); 心部組織為板條馬氏體及少量鐵素體[3],符合ISO6336-5:2003《正齒輪和斜齒輪承載能力的計(jì)算 第 5部分 材料的強(qiáng)度和質(zhì)量》的 MQ 級(jí) 要 求。按 照 GB/T6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》,用 光學(xué)顯微鏡檢驗(yàn)心部的晶粒度,結(jié)果為7.5級(jí),符合 標(biāo)準(zhǔn)要求(≥6級(jí))。
2 綜合分析
為了找到斷齒的原因,需要從齒輪箱設(shè)計(jì)、生產(chǎn)
制造和使用維護(hù)等多個(gè)方面進(jìn)行分析。該風(fēng)機(jī)齒輪
箱沒有發(fā)生大批量斷齒的情況,故可以排除設(shè)計(jì)原
因。
該齒輪箱僅運(yùn)轉(zhuǎn)了10個(gè)月左右就發(fā)生了斷齒, 使用時(shí)間較短,且風(fēng)場對(duì)振動(dòng)、油溫、油壓等關(guān)鍵參 數(shù)都有大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控,斷齒的齒輪箱各監(jiān)控?cái)?shù)據(jù) 與風(fēng)場其他齒輪箱并無明顯差異,故可以排除使用 維護(hù)的原因。
由斷齒齒輪的宏觀形貌可知:齒面嚙合面積大 于95%,說明不存在偏載情況,可以初步排除由于 齒輪裝配或齒輪傳動(dòng)異常導(dǎo)致斷齒的可能。
由齒面磨削燒傷分析結(jié)果可知:斷齒和非斷齒 的齒面均未發(fā)現(xiàn)磨削燒傷痕跡,可以排除由于生產(chǎn) 制造或使用維護(hù)不當(dāng)產(chǎn)生磨削燒傷導(dǎo)致齒面點(diǎn)蝕剝 落,進(jìn)而導(dǎo)致斷齒的可能。
由化學(xué)成分、硬度測試和金相檢驗(yàn)結(jié)果可知:齒 輪軸斷齒的化學(xué)成分、晶粒度、齒面硬度、滲碳層深 度、硬度梯度等結(jié)果均符合設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)要求。
從斷口的 SEM 分析可知:裂紋源處存在疑似 夾雜物,結(jié)合能譜分析得到裂紋源處 Al,O 元素含 量異常,判斷為 B類氧化鋁夾雜物。氧化鋁夾雜物 硬度高、受力時(shí)不易變形,大尺寸氧化鋁夾雜物的存 在會(huì)割裂基體的連續(xù)性,降低材料的疲勞強(qiáng)度。當(dāng) 夾雜物處在承受應(yīng)力較大位置時(shí),夾雜物周圍易產(chǎn) 生應(yīng)力集中,從而萌生疲勞裂紋,隨著時(shí)間的延長, 裂紋會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展,最終發(fā)生疲勞斷裂[4]。
3 整改措施
(1)煉鋼熔化期:烘干電爐爐襯,控制爐料的純 凈度、高氧化性、好的流動(dòng)性,適量的熔渣,中等偏低 溫度[5]。
(2)煉鋼氧化期:增大沸騰程度、延長沸騰時(shí) 間、徹底扒渣、控高溫、薄渣、加大供氧量和氬氣量。
(3)煉鋼還原期:烘干鋼包爐襯、控制加入合金 的純凈度、降低 O 元素和 S元素的含量、控制氬氣 攪拌。
(4)煉鋼真空脫氣:采用氬氣攪拌、延長脫氣時(shí) 間。
(5)澆注:采用氬氣保護(hù),防止二次氧化,吹掃 干凈出鋼槽。
(6)鍛造:充分鍛打,采用合適的利用率。
4 結(jié)語
該風(fēng)機(jī)齒輪軸斷齒屬于單源疲勞斷裂,裂紋源 處存在大尺寸的 B類氧化鋁夾雜物,冶煉缺陷是齒 輪軸發(fā)生斷齒的主要原因。經(jīng)整改后,筆者單位生 產(chǎn)了近百件產(chǎn)品,都未發(fā)生開裂。
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<文章來源 >材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊 > 58卷 > 10期 (pp:75-78)>
