20CrNi2Mo鋼滲碳淬火齒輪軸失效分析及對策

■ 劉蘋

球磨機是利用鋼球作為研磨介質(zhì)進行磨礦的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，破碎比大，可對各種礦石和其他可磨性物料進行干式或濕式粉磨，適應(yīng)性強，易于實現(xiàn)自動化控制。因此，在選礦、建材、化工、冶金、材料等行業(yè)中，球磨機都是最普遍、最通用的粉磨設(shè)備。隨著企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大和礦石品位的下降，使得球磨機的生產(chǎn)能力越來越大，并使球磨機越來越大型化。

齒輪軸是傳動裝置上的關(guān)鍵部件，隨著球磨機向大型化發(fā)展，齒輪軸的加工工藝也有所改變，采用滲碳鋼（滲碳淬火）代替中碳合金鋼（調(diào)質(zhì)+齒部表面淬火）。

某公司齒輪軸材質(zhì)選用20CrNi2Mo鋼，規(guī)格為φ579mm×3000mm，模數(shù)25，齒數(shù)21，左旋7.5°，經(jīng)鍛造、粗車、無損檢測、調(diào)質(zhì)（650℃回火）、精車、磨前銑齒、齒部滲碳淬火+回火（滲碳層深度2.5～3mm，齒面硬度57～61HRC）、磨齒等工序加工而成，鍛造及熱處理質(zhì)量直接影響軸齒輪的使用壽命。

在用戶現(xiàn)場使用過程中，齒輪軸斷裂時未發(fā)現(xiàn)明顯異常，只是在運行中電動機仍在工作，但齒輪軸已不隨著旋轉(zhuǎn)。該齒輪軸使用壽命大概在12個月左右。齒輪軸的結(jié)構(gòu)如圖1所示，齒輪軸斷裂宏觀形貌如圖2所示。

圖1 齒輪軸照片

圖2 齒輪軸裂紋宏觀形態(tài)

造成齒輪軸斷裂的原因很多，設(shè)計、工藝、加工精度、鍛造、熱處理、安裝精度、維護保養(yǎng)等各個環(huán)節(jié)均可能造成該齒輪軸斷裂，由于該斷裂齒輪軸為備件，在更換該斷軸前的另一根齒輪軸因到使用壽命而失效，說明設(shè)計、工藝、加工、安裝、維護保養(yǎng)等環(huán)節(jié)不存在問題。為查找該齒輪軸斷裂的主要原因，對其進行了化學(xué)成分分析、金相組織觀察、斷口觀察和力學(xué)性能測試等。

一、理化檢驗及分析

齒輪軸在齒部斷裂，在斷口分離前，裂痕呈直線狀沿周向分布（見圖2a）。裂痕及附近區(qū)域無宏觀塑性變形，顯示脆性斷裂特征。斷裂齒軸為徑向通透型斷裂（見圖2b）。

對球磨機斷裂齒輪軸進行檢測，具體檢測項目有斷口檢測、金相組織檢測、化學(xué)成分檢測、力學(xué)性能檢測。對斷軸進行切割取樣，取樣情況如圖3、圖4所示。

1. 斷口檢測

（1）斷口宏觀檢測 對應(yīng)面斷口宏觀形貌如圖5～圖7所示。斷口平齊，斷面可見明顯放射狀花樣。放射狀花樣的收斂區(qū)在偏離圓心的圓形相對平坦區(qū)域及略帶凹凸位置，該區(qū)域距齒頂約250mm，為斷裂源區(qū)，如圖5中箭頭所示。對應(yīng)面一側(cè)斷口因鉆取化學(xué)成分分析樣品，斷裂源區(qū)已被破壞（見圖6箭頭），另一側(cè)除斷口表面油污較嚴重外，斷面基本無損傷。在斷裂源區(qū)取樣并清洗后（見圖7），肉眼可見斷裂源區(qū)沿枝晶開裂特征（枝晶間存在明顯臺階）及15mm×10mm和10mm×2mm夾雜物缺陷。

（2）斷口微觀檢測 用掃描電鏡觀察了斷裂源區(qū)及附近斷口微觀形貌（見圖8、圖9），斷口顯示解理及準解理斷裂特征。對斷裂源區(qū)缺陷（見圖9）進行了能譜定性及半定量檢測，結(jié)果缺陷部位含有O、Ca、Si、C、Al、Fe、Mg、Na、K等元素， 為夾渣缺陷。

圖3 取樣情況

圖4 取樣情況對比

圖5 齒輪軸斷口

圖6 對應(yīng)一側(cè)齒輪軸斷口

圖7 齒輪軸局部斷口

2. 金相組織檢測

（1）低倍組織檢測 在斷口附近截取了齒軸徑向（距斷口軸向距離約20mm）及軸向樣品，進行了低倍組織檢測，結(jié)果如圖10～圖12所示，圖11、圖12試樣上表面為斷口。依據(jù)GB/T 1979—2001標準低倍組織評定為一般疏松0.5級，無其他低倍組織缺陷。存在較嚴重枝晶組織，斷裂源區(qū)枝晶組織尤為嚴重，滲碳淬火層及調(diào)質(zhì)處理層清晰可見，調(diào)質(zhì)層距齒頂深度約為110mm。

（2）金相檢測 圖13為齒輪軸非金屬夾雜物檢測結(jié)果，參照GB/T 10561—2005標準評定為：A類粗系1級，B類粗系1級，C類0級，D類細系2級。圖14為齒根部滲碳淬硬層組織，組織為回火馬氏體，馬氏體級別5級。圖15為調(diào)質(zhì)層，調(diào)質(zhì)組織為回火索氏體+鐵素體，存在枝晶組織。圖16為調(diào)質(zhì)層附近組織，組織為珠光體+鐵素體，存在較嚴重枝晶組織。圖17為斷裂源區(qū)組織，組織為鐵素體+珠光體，存在嚴重枝晶組織，晶粒度≥8級。

（3）化學(xué)成分檢測 化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，參照GB/T 3203—2016標準（滲碳軸承鋼），對化學(xué)成分的檢測值和標準值進行了對比，齒輪軸檢測結(jié)果基本符合標準規(guī)定。

圖8 斷口二次電子像

圖9 斷口缺陷二次電子像

圖10 低倍組織

圖11 低倍組織（軸向）

圖12 斷裂源區(qū)低倍組織

圖13 非金屬夾雜物（100×）

圖14 齒根部滲碳淬硬層組織

圖15 距齒根表層30mm組織

（4）力學(xué)性能檢測 在軸心斷裂源區(qū)附近沿徑向截取了力學(xué)性能試樣，檢測結(jié)果見表2，參照標準中引用的 GB/T 3203—2016材料牌號（G20CrNi2Mo），強度測量值偏低，這與取樣位置有關(guān)（標準值為縱向取樣，且是經(jīng)淬火+200℃回火后的值）。滲碳淬硬層硬度梯度檢測結(jié)果見表3，滲碳淬硬層深度約為3.0mm。距齒根表面調(diào)質(zhì)層硬度梯度檢測結(jié)果見表4。

二、檢測結(jié)果分析與結(jié)論

（1）參照GB/T 3203—2016（滲碳軸承鋼）標準評定，齒輪軸化學(xué)成分基本符合標準相關(guān)規(guī)定。

（2）在齒輪軸心部斷裂源區(qū)附近截取了徑向試樣（拉伸及沖擊），檢測結(jié)果顯示，沖擊值滿足技術(shù)條件規(guī)定，說明材料具有較好的韌性。強度偏低有兩方面原因：一是標準試樣為直徑25mm的檢測值，而該齒輪軸直徑為579mm。二是應(yīng)與橫向取樣及取樣時更靠近軸心部有關(guān)（JB/T5000.8—2007標準規(guī)定的取樣位置為距表面1/3半徑處）；齒輪軸的齒部滲碳淬火層深度及硬度略低于標準要求。

（3）由齒輪軸表面至心部金相組織檢測結(jié)果顯示，基體組織無異常，齒輪軸枝晶組織較嚴重，特別是斷裂源附近更為嚴重，說明在鍛造過程中枝晶組織未得到有效的改善，在允許的情況下可適當增大鍛造比。枝晶組織嚴重時會不同程度地降低材料的力學(xué)性能。

圖16 距齒根表層150mm組織

圖17 斷裂源區(qū)組織

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）檢測結(jié)果 （%）

表2 力學(xué)性能檢測結(jié)果與參考值對照

表3 滲碳淬硬層硬度梯度檢測結(jié)果

表4 距齒根表面調(diào)質(zhì)層硬度梯度檢測結(jié)果

（4）齒輪軸顯示瞬時（一次性）脆性斷裂特征，斷裂源區(qū)在齒輪軸心部偏離軸心區(qū)域。該處存在肉眼可見夾雜物缺陷，且枝晶組織嚴重，說明該部位是齒輪軸的薄弱區(qū)域，易引發(fā)應(yīng)力集中導(dǎo)致的開裂。

（5）齒輪軸是在設(shè)備運行過程中斷裂，且使用時間約12個月。

根據(jù)齒輪軸為突發(fā)一次性斷裂的特點分析，其斷裂時應(yīng)存在兩種情況：①斷裂源區(qū)承受較大應(yīng)力作用，該應(yīng)力可排除齒輪軸制造過程中所能殘留的組織應(yīng)力、熱應(yīng)力等應(yīng)力作用；也可排除使用過程所形成的熱應(yīng)力及齒輪軸旋轉(zhuǎn)所形成的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用。由于齒輪軸運行現(xiàn)場無法提供有效的監(jiān)控記錄及相關(guān)數(shù)據(jù)，因此無法更精準地判斷軸心應(yīng)力的來源。②斷裂源區(qū)相對薄弱。

通過上述分析得出以下結(jié)論：齒輪軸心部存在夾雜物及枝晶缺陷，在設(shè)備運行過程中，當軸心承受較大應(yīng)力作用時，在薄弱部位引發(fā)了瞬時脆性斷裂。

三、熱加工工藝改進

引起齒輪軸斷裂的原因很多，僅從熱加工專業(yè)著手，通過提高鍛件質(zhì)量、增加鍛后正火工序、增加滲碳前預(yù)備熱處理（粗銑齒后調(diào)質(zhì)）工序，以及調(diào)整滲碳淬火工藝參數(shù)等手段，提高熱加工工藝效果，能保證產(chǎn)品質(zhì)量。