端齒盤嚙合結(jié)構(gòu)常用于壓縮機(jī)齒輪軸與葉輪的連接固定，該結(jié)構(gòu)具有傳遞扭矩大、傳遞平穩(wěn)、對中性好、可頻繁拆卸等優(yōu)點(diǎn)。某壓縮機(jī)運(yùn)行約1 a后，其5級葉輪側(cè)的齒輪軸端齒盤發(fā)生斷齒現(xiàn)象，其他各級端齒盤均未發(fā)現(xiàn)裂紋或斷齒缺陷，斷裂端齒副的宏觀形貌如圖1所示。該齒輪軸的材料為18CrNiMo7-6鋼，經(jīng)鍛造、粗加工后，對其整體進(jìn)行滲碳淬火，以滿足斜齒輪的滲碳層要求。軸端齒采用切削加工，切削掉滲碳層后，齒面應(yīng)滿足材料滲碳淬火心部的組織與硬度要求。該壓縮機(jī)的工作介質(zhì)為N2，工作溫度約為80 ℃。服役時，該級齒輪軸端齒盤（主動端）帶動葉輪端齒盤（從動端）做逆時針高速旋轉(zhuǎn)，對N2進(jìn)行壓縮。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、掃描電鏡（SEM）和能譜分析、金相檢驗(yàn)等方法查明了軸端齒的斷裂原因，并提出了改進(jìn)建議，以避免該類問題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
軸端齒斷口的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：斷裂均發(fā)生在沿單齒齒寬方向的外端，斷口無塑性變形，呈宏觀脆性斷裂特征；斷口1與軸向約呈45°，存在臺階特征，臺階收斂于承載側(cè)齒面的磨痕處；斷口2可見多個大致平行的臺階，臺階同樣起源于承載側(cè)齒面的磨痕處，說明該處為斷口2的裂紋源區(qū)；斷口2裂紋擴(kuò)展前期較平坦，大致與軸向垂直，擴(kuò)展后期斷口與軸向約呈45°。
未斷裂軸端齒的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：承載側(cè)齒面上均存在磨痕，沿齒寬方向的外端磨痕光亮，內(nèi)端磨痕暗淡，部分齒面的亮區(qū)與暗區(qū)界限清晰，與軸向約呈45°，與斷口的方向大致相同；非承載側(cè)齒面上同樣存在不同程度的摩擦損傷。
1.2 化學(xué)成分分析
對斷裂端齒盤進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂端齒盤的化學(xué)成分符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對18CrNiMo7-6鋼的要求。
| 項(xiàng)目 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | |
| 實(shí)測值 | 0.21 | 0.25 | 0.76 | 0.010 | 0.009 | 1.65 | 0.28 | 1.50 |
| 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值 | 0.15~0.21 | 0.15~0.40 | 0.50~0.90 | ≤0.025 | ≤0.035 | 1.50~1.80 | 0.25~0.35 | 1.40~1.70 |
1.3 力學(xué)性能測試
對斷裂齒面進(jìn)行硬度測試，結(jié)果如表2所示。由表2可知：斷裂齒面的硬度不符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。
| 項(xiàng)目 | 實(shí)測值1 | 實(shí)測值2 | 實(shí)測值3 | 平均值 |
|---|---|---|---|---|
| 實(shí)測值 | 428 | 430 | 427 | 428 |
| 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值 | 285~385 | |||
對5級葉輪側(cè)的中心拉桿進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示，可見其拉伸性能符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。
| 項(xiàng)目 | 抗拉強(qiáng)度/MPa | 屈服強(qiáng)度/MPa | 斷后伸長率/% | 斷面收縮率/% |
|---|---|---|---|---|
| 實(shí)測值 | 1 247 | 1 113 | 15 | 62 |
| 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值 | ≥1 230 | ≥1 030 | ≥12 | ≥35 |
1.4 掃描電鏡（SEM）及能譜分析
對軸端齒斷口進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：裂紋均起源于齒面磨痕處，疲勞臺階清晰可見；斷口1裂紋擴(kuò)展區(qū)可觀察到疲勞輝紋和二次裂紋，斷口2裂紋擴(kuò)展區(qū)可見交變載荷作用下的擠壓痕跡，兩斷口均符合疲勞斷裂的形貌特征；瞬斷區(qū)可見韌窩花樣，深度約為36 μm。
對斷口1源區(qū)附近的齒面進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：低倍下，可見層狀的摩擦條痕，磨光區(qū)與粗糙區(qū)交替分布；高倍下，磨光區(qū)呈犁溝特征，存在微裂紋，粗糙區(qū)可見磨屑堆積和材料剝落后形成的麻坑。
