磨煤機(jī)42CrMo滲碳鋼齒輪失效分析

莫海軍，李 浩，姚若瓊，朱偉恒

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.肇慶市奧林金屬制品有限公司，廣東 肇慶526000)

磨煤機(jī)是火力發(fā)電廠燃煤機(jī)組中的重要設(shè)備，是將煤塊破碎并磨成煤粉的機(jī)械，主要是通過壓碎、擊碎和研碎的方式進(jìn)行.磨煤機(jī)減速機(jī)為行星齒輪兩級(jí)減速傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，電機(jī)通過一對(duì)圓錐齒輪嚙合傳動(dòng)帶動(dòng)中間軸轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通過齒形聯(lián)軸器與行星齒輪嚙合，最后將動(dòng)力輸出.齒輪是磨煤機(jī)減速機(jī)的重要零件，用于傳遞動(dòng)力和改變運(yùn)行速度.齒輪在嚙合過程中，嚙合齒面之間既有滾動(dòng)，又有滑動(dòng)，同時(shí)還受到交變應(yīng)力的作用.因此要求齒輪表面要求有足夠的硬度和耐磨性.

某磨煤機(jī)2008年投入運(yùn)行，2015年進(jìn)行大修，同年行星齒輪傳動(dòng)中的太陽輪出現(xiàn)嚴(yán)重的輪齒斷裂，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約4×104h.根據(jù)資料顯示，太陽輪直徑為190 mm，材料為優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMoA，該齒輪的加工工序?yàn)椋合铝?、鍛造、正火、機(jī)加工、滲碳淬火+低溫回火、磨削加工.齒輪經(jīng)過滲碳淬火后，齒面硬度達(dá)到 HRC60±2.

造成齒輪失效的原因很多，齒輪設(shè)計(jì)、受力、加工工藝及精度、鍛造、熱處理、齒輪安裝及維護(hù)等均可造成輪齒斷裂[1].筆者從齒輪應(yīng)力分析、形貌分析、成分分析、金相組織分析和力學(xué)性能檢測(cè)等方面對(duì)齒輪進(jìn)行失效分析研究[2-9]，以確定其發(fā)生失效的原因并給出解決方案.

1 磨煤機(jī)齒輪應(yīng)力分析

立式磨煤機(jī)如圖1所示.減速機(jī)是磨煤機(jī)的重要組成部分，主要用于電力工業(yè)磨煤機(jī)的傳動(dòng)減速裝置.磨煤機(jī)減速機(jī)為兩級(jí)減速裝置，采用水平輸入，垂直輸出結(jié)構(gòu)形式，第一級(jí)為圓錐齒輪傳動(dòng)，第二級(jí)為行星齒輪傳動(dòng).如圖2所示為減速器齒輪傳動(dòng)的示意圖，失效齒輪太陽輪安裝于中間軸的上端.已知磨煤機(jī)減速器各齒輪齒數(shù)分別為：圓錐齒輪1，z1=18個(gè)，圓錐齒輪2，z2=62個(gè)，太陽輪3，z3=20個(gè)，行星輪4，z4=79個(gè)，內(nèi)齒圈5，z5=178個(gè)，磨煤機(jī)電動(dòng)機(jī)額定功率為650 kW.根據(jù)中間軸太陽輪的齒根斷裂情況分析，校核該齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，其校核公式如下[10]

其中，b為齒寬，m為模數(shù)，T1為小輪傳遞轉(zhuǎn)矩，K為載荷系數(shù)，z1為小齒輪齒數(shù)，YF為齒形系數(shù)，[σF]為許用齒根彎曲應(yīng)力.

根據(jù)給定的齒輪材料及數(shù)據(jù)，獲得太陽輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度為

σF=153.5 MPa>126 MPa.

計(jì)算結(jié)果顯示，太陽輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度不足，表面齒輪在預(yù)期的壽命期限內(nèi)容易出現(xiàn)齒根彎曲疲勞破壞.

圖1 立式磨粉機(jī)圖2 磨煤機(jī)減速機(jī)示意圖

2 齒輪斷口形貌分析

2.1 斷口宏觀形貌分析在斷裂源區(qū)取樣并清洗后，失效齒輪外觀形貌如圖3所示，其中圖3a中為齒輪齒面的局部放大形貌，齒輪齒部出現(xiàn)裂紋，并且發(fā)現(xiàn)其齒輪表面有明顯的磨損痕跡，其磨損面不居中，說明齒輪安裝精度較低，受力不均.圖3b為另一處輪齒斷裂的部位，顯示齒部與軸體完全分離，根據(jù)斷口呈現(xiàn)海灘狀花紋判斷該齒部斷裂為疲勞破壞，肉眼可看到有明顯的疲勞斷裂模式，斷口由斷裂源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)組成，斷裂源為輪齒根部.

a 齒部裂紋及磨損的宏觀形貌 b 齒部斷口的宏觀形貌

2.2 微觀形貌分析對(duì)齒輪斷裂部位切取斷口試樣，并對(duì)其進(jìn)行多次清洗，然后對(duì)斷口進(jìn)行微觀形貌分析.齒輪斷裂處斷口的微觀形貌如圖4所示，其中4a為斷裂源區(qū)的局部放大圖，圖4b為裂紋擴(kuò)展區(qū)中的微觀形貌.

在圖4a中斷裂源位于齒根部，經(jīng)過觀察分析，該區(qū)域未發(fā)現(xiàn)存在異常的冶金質(zhì)量缺陷和機(jī)加工缺陷.裂紋擴(kuò)展區(qū)中可觀察到一組近似平行的彎曲線條，形似沙灘線，即疲勞輝紋，進(jìn)一步證明齒輪的斷裂是屬于疲勞斷裂.說明太陽輪在交變應(yīng)力作用下的斷裂破壞，也是齒輪多次累積損傷而產(chǎn)生的斷裂行為，而非偶然過載而產(chǎn)中的一次性斷裂.其結(jié)果與前面的應(yīng)力分析結(jié)果相吻合.

a 斷裂源區(qū)的局部放大圖 b 疲勞輝紋 圖4 齒部斷口的微觀形貌

3 能譜分析

電子能譜分析是材料表面成分常見的分析方法.利用能譜分析儀分別對(duì)靠近斷裂源的齒根表面和斷裂源處斷口處進(jìn)行能譜分析.樣品能譜分析位置如圖5所示，分析結(jié)果如表1所示.

a 靠近開裂源的齒根部表面b 開裂源處斷口面上圖5 樣品能譜分析圖

表1 能譜分析結(jié)果

從2個(gè)地方的能譜分析結(jié)果表明：齒根表面及斷口面上沒有發(fā)現(xiàn)存在明顯的成分含量及元素種類的差異，也未發(fā)現(xiàn)明顯的非金屬夾雜物，說明齒輪表面未經(jīng)過化學(xué)熱處理，與該型號(hào)的磨煤機(jī)說明書描述的表面滲碳處理不相符.

4 齒輪材料化學(xué)成分分析

根據(jù)光譜分析方法[11]對(duì)送檢齒輪材料進(jìn)行更詳細(xì)的化學(xué)成分分析.檢測(cè)結(jié)果如表2所示.表中同時(shí)列出國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中42CrMoA鋼的標(biāo)準(zhǔn)成分[12]，以供比對(duì).

表2 中間軸齒輪材料化學(xué)成分分析結(jié)果

結(jié)果表明，太陽輪齒輪材料的化學(xué)成分符合國家標(biāo)準(zhǔn)，屬于優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMoA，與提供的資料數(shù)據(jù)相符.

5 材料金相組織分析

在中間軸太陽輪靠近齒部的磨損區(qū)域制取軸向和徑向金相分析試樣，并進(jìn)行冶金質(zhì)量分析和顯微組織分析.

5.1 冶金質(zhì)量分析根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)齒輪材料中非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)[13].其軸向試樣金相磨面未經(jīng)浸蝕的微觀形貌見圖6所示.

a 局部放大100b 局部放大 500圖6 軸向試樣金相觀察磨面未經(jīng)浸蝕的微觀形貌

在斷裂區(qū)域取樣，拋光未腐蝕狀態(tài)在顯微鏡下觀察，非金屬夾雜物等級(jí)評(píng)定結(jié)果如表3所示，結(jié)果表明齒輪材料非金屬夾雜物主要為“點(diǎn)粒狀+鏈狀”的氧化物類非金屬夾雜物，并未發(fā)現(xiàn)其他的非金屬物質(zhì)，冶金質(zhì)量較好，并與圖6的微觀形貌結(jié)論吻合.

表3 非金屬夾雜物評(píng)級(jí)

5.2 金相組織分析根據(jù)國家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)失效齒輪進(jìn)行金相組織評(píng)定[14].金相觀察采用4%硝酸乙醇溶液磨面浸蝕，其軸向試樣金相顯微組織圖像如圖7所示，徑向試樣金相顯微組織圖像如圖8所示.

a 偏析區(qū)局部放大100b 偏析區(qū)局部放大 500c 無偏析區(qū)局部放大500圖7 軸向試樣觀察磨面經(jīng)浸蝕的顯微組織

a 靠近齒根部已磨損區(qū)與未磨損區(qū)交界100b 局部放大500圖8 徑向試樣觀察磨面經(jīng)浸蝕的顯微組織

中間軸太陽輪材料金相組織表明，齒輪整體經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，但未經(jīng)表面強(qiáng)化處理，與前面的分析結(jié)果相符；材料存在帶狀偏析，無偏析區(qū)的金相組織為“回火索氏體+細(xì)塊狀和針狀鐵素體”；存在魏氏組織，在靠近磨損區(qū)域的表面也有少量魏氏組織存在，該組織脆性大，對(duì)材料強(qiáng)度有不良影響，其產(chǎn)生主要與材料淬火時(shí)冷卻強(qiáng)度不足有關(guān)；偏析區(qū)金相組織主要為“回火托氏體”，該區(qū)域合金元素含量較高，因此淬透性高，淬火時(shí)該區(qū)域容易形成全部馬氏體而無鐵素體析出.根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)“GB/T 13320-2007”，按第 3 級(jí)評(píng)級(jí)圖評(píng)級(jí)，評(píng)定齒輪材料的顯微組織等級(jí)為 4 級(jí)；未發(fā)現(xiàn)齒部表面存在脫碳等金相組織缺陷.

6 力學(xué)性能檢測(cè)

6.1 硬度檢測(cè)對(duì)中間軸太陽輪表面和心部進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)，分別對(duì)不同的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，其檢測(cè)結(jié)果如表4所示.

表4 洛氏硬度檢測(cè)結(jié)果

太陽輪齒部未經(jīng)磨損表面顯微硬度梯度曲如圖9所示.

圖9 齒輪表面顯微硬度分布曲線圖

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)金屬材料維氏硬度試驗(yàn)法分別對(duì)太陽輪齒輪材料無偏析區(qū)和偏析區(qū)進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，對(duì)比分析結(jié)果如表5所示.

表5 偏析區(qū)與無偏析區(qū)顯微維氏硬度檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)表5顯微硬度檢測(cè)和圖9結(jié)果表明，齒輪表面和心部硬度基本一致，說明中間軸齒部沒有經(jīng)過表面強(qiáng)化處理，與金相組織分析結(jié)果相符.另外顯微維氏硬度檢測(cè)結(jié)果則表明齒輪材料的偏析區(qū)硬度明顯高于無偏析區(qū).

6.2 沖擊試驗(yàn)對(duì)送檢齒輪沿軸向及約 1/4 直徑的部位切取并加工成“U”型沖擊試樣，并根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣進(jìn)行常溫沖擊試驗(yàn).

檢測(cè)結(jié)果見表6所示，表中同時(shí)列出國家標(biāo)準(zhǔn)“GB/T3077-2015合金結(jié)構(gòu)鋼”中42CrMo 鋼沖擊吸收功的標(biāo)準(zhǔn)要求.

表6 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

由檢測(cè)結(jié)果可知，送檢中間軸太陽輪的沖擊吸收功低于中國國家標(biāo)準(zhǔn)中 42CrMo 鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求，沖擊性能未達(dá)到基本要求，這也說明了該齒輪齒面沒有到達(dá)規(guī)定的硬度要求.

7 小 結(jié)

筆者對(duì)磨煤機(jī)減速機(jī)齒輪進(jìn)行失效分析，得出以下結(jié)論：

1) 太陽輪齒輪材料化學(xué)成分符合我國“GB/T 3077-2015合金結(jié)構(gòu)鋼”中42CrMo 鋼的化學(xué)成分含量要求.該齒輪材料屬于優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，并且未發(fā)現(xiàn)該齒輪材料存在異常的冶金質(zhì)量缺陷；

2) 太陽輪齒輪材料齒部斷裂屬于多次累積損傷產(chǎn)生的疲勞斷裂，疲勞源位于齒根部；

3) 齒輪并未經(jīng)過表面強(qiáng)化的滲碳熱處理，齒輪表面硬度也未達(dá)到HRC60±2；

4) 太陽輪齒輪材料由于淬火冷卻不足，存在脆性較大的魏氏組織.同時(shí)材料內(nèi)部由于成分不均，存在尺寸較大的偏析區(qū)，偏析區(qū)與無偏析區(qū)之間由于存在組織差異，因此在材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力，該組織應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加，容易誘發(fā)裂紋的形成及擴(kuò)展.

提出以下建議：

1) 改進(jìn)材料的鍛造工藝，進(jìn)一步提高齒輪材料的成分均勻性；

2) 對(duì)太陽輪齒論表面進(jìn)行感應(yīng)淬火或激光淬火處理，硬化層深0.5～1.2 mm，提高齒輪表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度；

3) 提高齒輪安裝精度，改善受力分配.