高速齒輪軸斷齒原因分析

王長健

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000）

近年來中國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，2011年全國新增裝機(jī)容量18 GW，居世界第一，但我國風(fēng)機(jī)技術(shù)水平同歐美發(fā)達(dá)國家還存在明顯的差距，尤其是關(guān)鍵零部件的先進(jìn)制造技術(shù)水平。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般安裝在荒郊、野外、山口、海邊等風(fēng)能較大且周圍無遮擋物之處，發(fā)電機(jī)、齒輪箱等安裝在機(jī)組塔架之上狹小的機(jī)艙內(nèi)，距地面幾十米高，常年受酷暑、嚴(yán)寒和極端溫差的影響，工作環(huán)境極其惡劣。據(jù)世界風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)數(shù)據(jù)，齒輪箱失效占風(fēng)電裝備失效的12%。因此高速齒輪箱系統(tǒng)作為整個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的核心部件，因使用環(huán)境極其復(fù)雜，其關(guān)鍵零部件（高速齒輪軸、軸承）等制造技術(shù)水平是影響風(fēng)機(jī)裝備故障的主要因素[1—2]。

材質(zhì)為17Cr2Ni2MoA的1.0 MW風(fēng)電齒輪箱高速齒輪軸，質(zhì)量為71.6 kg，共生產(chǎn)5件，其中4件在安裝裝配后進(jìn)行試車試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)有斷齒現(xiàn)象，導(dǎo)致高速齒輪軸報(bào)廢，同時(shí)導(dǎo)致整個(gè)風(fēng)電齒輪箱的安裝調(diào)試工作停滯。該齒輪軸的生產(chǎn)工序流程為：煉鋼→鍛造成坯→第一次機(jī)械加工（粗加工）→預(yù)備熱處理（正回火熱處理）→超聲波探傷檢驗(yàn)→第二次機(jī)械加工（半精加工）→滲碳淬火熱處理→第三次機(jī)械加工（精加工）→安裝裝配→試車試驗(yàn)。為此，本文通過化學(xué)成分分析、齒面宏觀外貌觀察分析、宏觀斷口、宏觀金相、微觀金相、有效硬化層深度測試、掃描電鏡試驗(yàn)分析等一系列的理化試驗(yàn)，對該高速齒輪軸斷齒原因進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)方法

斷裂高速齒輪軸原始形貌見圖1。對斷裂高速齒輪軸斷齒的斷口面進(jìn)行清洗，觀察斷齒宏觀斷口形貌，并對斷齒的齒面進(jìn)行觀察分析。將斷口碎片用掃描電鏡進(jìn)行斷口微觀形貌分析，在斷齒高速齒輪軸上切取兩件橫向宏觀金相試片，觀察高速齒輪軸橫向宏觀金相組織形貌以及裂紋宏觀形態(tài)。在宏觀金相試片的裂紋處切取兩件微觀金相試樣，對裂紋的微觀形態(tài)進(jìn)行分析，對鍛件齒面滲碳質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，并對齒面、齒根、齒頂?shù)挠行в不瘜由疃冗M(jìn)行測試。同時(shí)切取化學(xué)成分分析試樣，對高速齒輪軸進(jìn)行化學(xué)成分分析。

2 檢驗(yàn)結(jié)果

2.1 化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果

按ASTM E415—2008 碳素鋼和低合金鋼光學(xué)放射真空光譜測定分析的試驗(yàn)方法，用德國OBLF QSN750型光電直讀光譜儀進(jìn)行高速齒輪軸化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1。該高速齒輪軸化學(xué)成分均符合產(chǎn)品技術(shù)要求。

2.2 高速齒輪軸外觀檢查分析結(jié)果

經(jīng)現(xiàn)場情況調(diào)查以及對斷裂高速齒輪軸的外觀形貌進(jìn)行觀察分析，該高速軸斷齒主要有三個(gè)特征：斷齒主要集中出現(xiàn)在高速齒輪軸某一相鄰部位；幾乎所有斷齒均起源于齒根；其余未斷齒上的裂紋大部分也起源于齒根。見圖2。

2.3 宏觀斷口形貌分析結(jié)果

對高速齒輪軸斷齒碎片斷口進(jìn)行清洗后觀察，碎片斷口宏觀形態(tài)主要分為兩種類型。第一種斷口類型僅一塊，其斷口形貌見圖 3，斷裂源在齒根，斷裂源區(qū)光滑光亮，斷裂擴(kuò)展區(qū)發(fā)現(xiàn)有較為明顯的疲勞貝紋線，約占整個(gè)斷口面積的60%，瞬時(shí)斷裂區(qū)呈較為粗糙的結(jié)晶狀斷口，約占整個(gè)斷口面積的30%。其余碎片斷口均為第二種斷口類型，其斷口形貌見圖4，為多源斷裂，斷裂源主要位于齒面次表層，同時(shí)整個(gè)斷口面光滑明亮，斷裂擴(kuò)展區(qū)也有較為明顯的疲勞貝紋線。

表1 高速齒輪軸化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of the high speed gear shaft %

2.4 齒面觀察分析結(jié)果

對圖 3中的第一種斷口類型的斷齒齒面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)齒面有明顯的擠壓痕跡，見圖5，對擠壓痕跡在顯微鏡下觀察，擠壓痕跡內(nèi)有擠壓凹坑和裂紋。

2.5 宏觀金相檢驗(yàn)結(jié)果

兩件橫向宏觀金相試片經(jīng)50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的鹽酸水溶液熱酸腐蝕后，觀察其宏觀金相組織形貌。宏觀金相組織心部均細(xì)致，無明顯的疏松以及偏析缺陷，除部分?jǐn)帻X外，齒部有裂紋。裂紋主要有兩種類型，第一種裂紋起源于齒根，另一種裂紋起源于齒面節(jié)圓處。宏觀金相組織形貌見圖6—7。

2.6 微觀金相檢驗(yàn)結(jié)果

磨制切取的兩件微觀金相試樣，未經(jīng)腐蝕在德國徠卡 DMI5000型光學(xué)金相顯微鏡下觀察，該高速齒輪軸非金屬夾雜物極少，按ASTM E45—2013標(biāo)準(zhǔn)[3]進(jìn)行評定，各類非金屬夾雜物級別均未超過1.0級。齒根處裂紋微觀形貌見圖8，裂紋兩側(cè)及附近均未見非金屬夾雜物，但裂紋內(nèi)均有呈白亮色的球形物。試樣經(jīng)4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）硝酸酒精溶液腐蝕后觀察，裂紋兩側(cè)未見氧化脫碳現(xiàn)象，裂紋附近顯微組織為回火馬氏體，裂紋內(nèi)的白亮色球狀物均不受腐蝕，見圖9。按JB 6141.3—1992標(biāo)準(zhǔn)[4]對高速齒輪軸齒面滲碳組織進(jìn)行評定，表層馬氏體及殘余奧氏體級別、表層碳化物級別、芯部鐵素體組織級別均為2級，符合產(chǎn)品的技術(shù)要求。按ASTM E112—2012標(biāo)準(zhǔn)[5]對高速齒輪軸的斷齒部位進(jìn)行晶粒度級別評定，為7級，也符合產(chǎn)品的技術(shù)要求。

2.7 有效硬化層深度測試結(jié)果

采用顯微維氏硬度法，按ISO 2639—2002標(biāo)準(zhǔn)，加載載荷為1 kg，加載時(shí)間12 s，對斷齒的齒頂、齒根、齒面滲碳層的有效硬化層深度進(jìn)行檢測，齒頂有效硬化層深度為1.79 mm，齒根有效硬化層深度為1.67 mm，齒面有效硬化層深度為1.60 mm，均超過技術(shù)要求0.8～1.3 mm，其中齒根硬度分布圖見圖10。

2.8 掃描電鏡分析結(jié)果

將第一種斷口類型斷齒碎片進(jìn)行掃描電鏡分析（儀器為日本電子 JSM-5900LV型掃描電鏡），斷裂源區(qū)未見非金屬夾雜物及疏松孔洞等缺陷，斷口擴(kuò)展區(qū)發(fā)現(xiàn)有疲勞輝紋形態(tài)，見圖 11，斷裂瞬斷區(qū)為準(zhǔn)解理形貌。微觀金相試樣裂紋內(nèi)的白色球狀物微區(qū)成分與基體成分接近，基本一致，僅Mo元素有一定差異，基體成分見圖 12，白色球狀物微區(qū)成分見圖13。

3 討論

從高速齒輪軸的使用時(shí)間來看，在試車時(shí)即已斷齒，使用時(shí)間極短。從斷齒的宏觀斷口形貌來看，無論是第一類齒部掉塊，還是第二類齒部掉塊，斷面上存在明顯的貝紋線，可以確定該高速齒輪軸是典型的快速疲勞斷裂[6—12]。

從高速齒輪軸的化學(xué)成分分析結(jié)果來看，該高速齒輪軸化學(xué)成分均合格，材質(zhì)正常。從微觀金相檢驗(yàn)結(jié)果來看，高速齒輪軸非金屬夾雜物較少；從宏觀金相檢驗(yàn)結(jié)果來看，該高速齒輪軸內(nèi)部組織細(xì)密，未見明顯的疏松，以及偏析、孔洞、白點(diǎn)等冶金缺陷。結(jié)果說明，該高速齒輪軸的冶金質(zhì)量好，高速齒輪軸的快速疲勞斷裂與高速齒輪軸的冶金質(zhì)量無關(guān)。

該高速齒輪軸表面進(jìn)行滲碳熱處理，其目的是提高齒部表面含碳量，使得表面形成一層硬的、耐磨的硬化層，從而使齒部彎曲強(qiáng)度提高。表面滲碳硬化層深度過低，因齒面承受高的接觸應(yīng)力與彎曲應(yīng)力，齒面容易發(fā)生磨損、點(diǎn)蝕、剝落等破壞。表面滲碳硬化層深度過高，則可能促使高速齒輪軸齒頂破壞，齒根彎曲疲勞強(qiáng)度降低，工件熱處理生產(chǎn)成本增加，生產(chǎn)周期增長。從金相檢驗(yàn)結(jié)果來看，高速齒輪軸表面滲碳組織中的表層馬氏體及殘余奧氏體級別、表層碳化物級別、芯部鐵素體組織級別均為2級，屬正常現(xiàn)象。從有效硬化層深度測試結(jié)果來看，該高速齒輪軸表面滲碳層的有效硬化層過深，無論是齒面、齒頂還是齒根，均超過了產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。滲碳層過深，特別是齒根滲碳層過深，將增大齒根的馬氏體脆性，從而導(dǎo)致齒根所能承受的彎曲疲勞強(qiáng)度降低[13—15]。而該高速齒輪軸在運(yùn)行試車過程中，齒根部位所承受的彎曲應(yīng)力最大[13]，當(dāng)所承受的彎曲應(yīng)力超過材料的彎曲疲勞強(qiáng)度時(shí)，必然在試車運(yùn)行過程中齒根部位形成顯微裂紋，從而沿齒根形成快速疲勞開裂，即形成第一類齒部掉塊。事實(shí)表明，由于高速齒輪軸滲碳熱處理時(shí)表面滲碳層深度過深導(dǎo)致齒根脆性增大，所能承受的彎曲應(yīng)力減小，是導(dǎo)致高速軸形成快速疲勞斷裂的關(guān)鍵原因。

當(dāng)?shù)谝活慅X部掉塊形成后，高速齒輪軸在試車運(yùn)行時(shí)，剩余未斷的齒將承受所有的應(yīng)力，因此，未斷齒部的受力將明顯增加，再加上未斷齒自身齒根、齒面、齒頂?shù)谋砻鏉B碳層深度過深，因此剩余未斷齒的致裂因素是多重的，從而形成多源疲勞斷裂，即第二類齒部掉塊。在齒面的外貌檢查過程中，發(fā)現(xiàn)有明顯的擠壓麻點(diǎn)、麻坑，這進(jìn)一步證實(shí)第一類斷齒后剩余未斷齒的受力環(huán)境發(fā)生較大變化，齒面的受力明顯增加所致。

從裂紋微觀形態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，裂紋內(nèi)部有白色的球狀物，疑似為工件內(nèi)部的冶金缺陷，但從掃描電鏡微區(qū)成分分析得知，白色球狀物和基體成分一致，即白色球狀物不是外來物，而是高速齒輪軸在疲勞斷裂時(shí)殘存在裂紋內(nèi)部的基體物質(zhì)，任何物質(zhì)在形成時(shí)均遵從最小能量原則，因此白色球狀物在高速齒輪軸疲勞開裂過程中形成球狀是正常的。

4 結(jié)語

該高速齒輪軸斷齒性質(zhì)為快速疲勞斷裂，其形成原因是高速齒輪軸滲碳熱處理時(shí)齒根滲碳層深度過深所致。高速齒輪軸在熱處理生產(chǎn)過程中，應(yīng)嚴(yán)把熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)關(guān)，包括滲碳熱處理組織檢驗(yàn)和有效硬化層深度測試，測試不合格堅(jiān)決不使用，以避免后期質(zhì)量事故發(fā)生。