軋機(jī)輻板輥軸花鍵斷齒失效分析

夏春龍，王旭東，潘嘉玉，王建國，李明澤

（太原重工軌道交通設(shè)備有限公司，山西 太原 030032）

某公司鍛軋生產(chǎn)線輻板輥軸服役一個月后，花鍵開始出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象，受委托對其失效原因進(jìn)行分析。輻板輥軸花鍵材質(zhì)為55NiCrMoV7，熱處理狀態(tài)為淬火+回火。

1 試驗(yàn)分析

1.1 宏觀分析

輻板輥軸花鍵齒數(shù)為42，其中斷齒約1/2。斷齒大多數(shù)為多齒連續(xù)斷裂，斷齒約占齒長1/3～1/2，斷齒形態(tài)主要為沿齒根斷裂，斷口面油污銹蝕污染嚴(yán)重，未斷齒齒根幾乎大部分輪齒都清晰可見多條縱向裂紋，齒面碾壓塑性變形特征明顯，見圖1所示。

圖1 宏觀形貌

對輻板輥軸花鍵解剖，縱向取低倍、硬度試片，橫向取高倍及電鏡試塊。

1.2 掃描電鏡形貌分析

齒面呈典型的波浪狀接觸疲勞形貌，表面劃傷嚴(yán)重。齒根附近有明顯的壓塌區(qū)域，齒根附近齒面可見多條平行裂紋，見圖2。

圖2 齒面形貌

1.3 化學(xué)成分分析

輻板輥軸的化學(xué)成分結(jié)果見表1。化學(xué)成分符合55NiCrMoV7材質(zhì)成分要求。

表1 輻板輥軸成分 %

1.4 硬度分析

1.4.1 調(diào)質(zhì)硬度

調(diào)質(zhì)硬度結(jié)果見表2。

表2 調(diào)質(zhì)硬度結(jié)果表

1.4.2 齒面硬度

齒頂處齒面硬度檢測為：HRC50.8；HRC 50.6

試驗(yàn)結(jié)果表明，硬度值低于圖紙要求HRC55～60。

1.5 金相分析

1.5.1 酸浸

試片酸浸后，花鍵側(cè)有連續(xù)分布的裂紋，深度約8 mm，裂紋觀察為齒根處延伸至截面。齒面方向觀察，齒根裂紋幾乎貫穿整個齒長此外，未發(fā)現(xiàn)其他宏觀缺陷。

1.5.2 組織分析

高倍試樣鑲嵌后拋光狀態(tài)下觀察，齒根裂紋開口處與齒根表面約呈10°角方向起裂，且開口外寬內(nèi)窄，延伸約100μm后，約呈60°角向內(nèi)擴(kuò)展，裂紋尖端有分叉現(xiàn)象，見圖3-1所示。齒根處還可見多處小角度接觸疲勞裂紋，見圖3-2所示。

試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后，齒根裂紋旁組織與基體一致，為回火索氏體，晶粒度8.0級。齒頂裂紋旁組織與裂紋附近區(qū)域組織一致，均為回火馬氏體，齒頂區(qū)域?yàn)榇慊鸾M織形態(tài)，未觀察到滲氮組織特征。淬火區(qū)域僅分布在齒頂位置，齒面與齒根均未淬火。淬火區(qū)域與基體交界處明顯?；ㄦI基體組織為回火索氏體+沿晶網(wǎng)狀分布的細(xì)顆粒狀碳化物，碳化物所圍成的晶粒約4.0級，見圖3-3、3-4。非金屬夾雜物A類0.5級，D類0.5級。

圖3 花鍵裂紋及組織

1.5.3 齒頂區(qū)域硬化層及成分面掃

齒頂區(qū)域淬硬層深度約0.7 mm，硬度梯度分布見圖4所示。齒頂成分面掃未檢測到N元素，見圖5所示。

圖4 齒頂硬度梯度圖

圖5 齒頂面掃

試驗(yàn)結(jié)果表明，花鍵齒部未進(jìn)行滲氮處理。

2 討論

2.1 材料及熱處理

輻板輥軸花鍵化學(xué)成分符合55NiCrMoV7要求。齒面硬度低于圖紙要求。鍛件除花鍵附近裂紋外，未見宏觀缺陷。鍛件非金屬夾雜物合格，晶粒度合格。組織為回火索氏體+網(wǎng)狀分布的細(xì)顆粒狀碳化物，屬調(diào)質(zhì)組織，但碳化物呈網(wǎng)狀，屬熱處理缺陷，應(yīng)當(dāng)避免?；ㄦI齒部為淬火組織，僅齒頂區(qū)域存在。未檢測到氮元素，可確定花鍵未滲氮。

2.2 服役狀況

輻板輥軸在服役過程中屬主動傳動件，電機(jī)扭矩通過花鍵聯(lián)接形式傳動到輻板輥機(jī)構(gòu)中，旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時主要為單側(cè)齒面受壓?；ㄦI齒面劃傷及接觸疲勞裂紋均說明服役過程中存在應(yīng)力大現(xiàn)象。斷齒雙側(cè)齒根均開裂，說明齒根受到雙向彎曲應(yīng)力，這可能與制動時反向受力有關(guān)。此外，輻板輥軸在使用過程中與不同的輻板輥嚙合使用，也是輻板輥軸易于成為失效件的客觀原因。

2.3 綜合分析

輻板輥軸花鍵表面未按圖紙要求滲氮處理，僅齒頂進(jìn)行淬火處理。在使用過程中表現(xiàn)出來的多條接觸疲勞裂紋與塑性壓塌等現(xiàn)象，均說明硬度方面不滿足實(shí)際服役要求。

表面接觸裂紋產(chǎn)生后，在齒根彎曲應(yīng)力較大區(qū)域，以接觸疲勞裂紋為應(yīng)力提升源，由外而內(nèi)擴(kuò)展開裂，開裂過程中，早期以疲勞方式擴(kuò)展，后期呈過應(yīng)力快速撕裂，導(dǎo)致斷齒產(chǎn)生。斷齒產(chǎn)生后，花鍵在運(yùn)行過程中穩(wěn)定性減弱，所受應(yīng)力增大，加速其它齒斷裂，從而引起大范圍斷齒產(chǎn)生，導(dǎo)致輻板輥軸花鍵失效。輻板輥軸內(nèi)部存在網(wǎng)狀分布的碳化物，降低了材料的塑性、使脆性增加，降低工件的使用壽命。綜合分析認(rèn)為，網(wǎng)狀碳化物缺陷是導(dǎo)致花鍵早期斷齒的內(nèi)因，應(yīng)當(dāng)避免。

3 結(jié)論

1）輻板輥軸花鍵齒面硬度低，未按圖紙進(jìn)行滲氮處理。

2）輻板輥軸花鍵失效系花鍵齒根雙側(cè)產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致斷齒。裂紋生成原因系組織出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物缺陷，花鍵材料脆性大，不滿足服役狀態(tài)所致。此外，花鍵齒部僅齒頂淬硬，齒面及齒根接觸疲勞強(qiáng)度不足導(dǎo)致塑性變形及接觸疲勞裂紋對斷齒開裂起促進(jìn)作用。