礦用減速器錐齒輪開裂原因分析

袁岳東，王力曉，陳啟東，劉鑫，沈益晨

1.常熟天地煤機(jī)裝備有限公司 江蘇常熟 215500

2.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇蘇州 215000

3.常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 江蘇常熟 215500

1 序言

18CrNiMo7-6屬于低碳低合金滲碳鋼，主要應(yīng)用于制造風(fēng)電變速箱齒輪、重載火車的電力機(jī)車、大模數(shù)齒輪、重載齒輪等零部件[1，2]，在生產(chǎn)與使用過(guò)程中齒輪軸容易發(fā)生開裂現(xiàn)象。張澤春[3]研究了18CrNiMo7-6鋼齒輪軸原材料在冶煉過(guò)程中，保護(hù)渣混入鋼液；材料中脆性?shī)A雜物破壞了材料的連續(xù)性，形成缺口和應(yīng)力集中，在殘余應(yīng)力的作用下，齒輪軸發(fā)生延遲開裂。周吉生[4]研究了減速機(jī)齒輪開裂的具體原因是由于齒輪的有效硬化層深度超過(guò)了技術(shù)要求，導(dǎo)致心部受到較大的拉應(yīng)力。其裂紋源位于斷口心部，并且有較多的 O、Al、Ca、Na 等元素組成的非金屬夾雜物，這些夾雜物硬度較高，容易割裂材料的基體，受到外力時(shí)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中形成裂紋源。本文從宏觀形貌、成分、性能等方面進(jìn)行研究分析，并根據(jù)分析總結(jié)，提出解決方案。

2 錐齒輪失效背景

齒輪加工流程：下料→精加工→磨制→滲碳淬火→清洗→回火。后發(fā)現(xiàn)齒輪表面呈大弧形外周弧裂，齒輪樣品裂紋整體 1/3 位于齒輪靠上凸面平面，約 2/3 位于外弧面，且由表象看沿外弧周面相鄰約100°分別有兩處斷開，整體紋路剛直，呈淬火應(yīng)力裂紋特點(diǎn)。裂紋截面開裂深度均自距表面17mm和距表面45mm向內(nèi)裂了30mm左右，即應(yīng)力造成開裂前，在成品齒輪外型中其聚集程度是均勻的，釋放為瞬間完成。開裂齒輪宏觀形貌如圖1所示。

圖1 開裂齒輪宏觀形貌

3 原因分析

3.1 樣品選取

因不得觸及裂紋源，且硬度測(cè)試在60HRC左右，普通鋸切方式無(wú)法獲取試樣，故取樣選定線切割取自裂紋尾部的結(jié)合部（見圖2），不傷及裂紋根源檢測(cè)。

3.2 化學(xué)成分檢測(cè)

齒輪的材料為18CrNiMo7-6鋼，將所取的樣品經(jīng)斯派克SPECTRMAXx火花直讀光譜儀對(duì)主要元素進(jìn)行檢驗(yàn)，樣品實(shí)測(cè)分析與冶煉記錄成分見表1。從表1可看出，齒輪化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定要求。

表1 開裂齒輪化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） (%)

3.3 殘余氣體與硬度檢測(cè)

（1）殘余氣體檢測(cè) 采用Hon-2000氣體分析儀對(duì)鍛件氣體含量進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)樣品的分析數(shù)據(jù)與出廠前數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比見表2。從表2可看出，氣體含量檢測(cè)最終數(shù)據(jù)顯示誤差不大，符合氣體檢測(cè)要求。

表2 鍛件氣體含量 （×10-6）

（2）硬度檢測(cè) 硬度檢測(cè)樣品如圖3所示，試樣依據(jù)GB/T 230.1—2009《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》制樣，齒輪硬度檢測(cè)結(jié)果見表3，符合設(shè)計(jì)硬度要求。

圖3 硬度檢測(cè)樣品

表3 齒輪硬度檢測(cè) （HRC）

3.4 磁粉檢測(cè)

采用C D X—I I I型多用磁粉檢測(cè)儀，按J B/T 5000.15—2007《重型機(jī)械通用技術(shù)條件 第15部分：鍛鋼件無(wú)損檢測(cè)》規(guī)定，對(duì)齒輪表面進(jìn)行磁粉檢測(cè)，經(jīng)360°檢測(cè)，近表面及表面未發(fā)現(xiàn)相關(guān)磁痕，無(wú)發(fā)紋、白點(diǎn)、鍛造裂紋存在。

3.5 金相組織

采用1 0 0×光學(xué)顯微鏡觀察，依據(jù)G B/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)定（見圖4）。夾雜物狀態(tài)如圖4a、b所示。同時(shí)試樣采用100×光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。圖4c所示為裂紋附近正?；w組織，圖4d所示為失效部位裂紋區(qū)域腐蝕實(shí)測(cè)組織，視場(chǎng)內(nèi)無(wú)網(wǎng)狀或異常碳化物聚集現(xiàn)象。

圖4 夾雜物評(píng)定

3.6 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

基體部分夾雜物，檢測(cè)范圍為全視場(chǎng)，夾雜物情況A類0.5級(jí)、B類0.5級(jí)、C類0.5級(jí)、D類0.5級(jí)、Ds類無(wú)；檢測(cè)隨爐樣件及失效零件未裂紋基體位置殘留奧氏體組織如圖5所示，失效件表面殘留奧氏體6級(jí)，隨爐樣品表面殘留奧氏體6級(jí)，均有較嚴(yán)重的堆積現(xiàn)象。

圖5 失效件與隨爐件的金相組織

原始記錄顯示，1 8 C r N i M o 7-6 鋼工件與20CrMnTi鋼工件混裝，以20CrMnTi鋼工藝為主，該工藝執(zhí)行細(xì)節(jié)要求：滲碳保溫溫度925℃，滲碳淬火后需爐冷瀝油10min，后經(jīng)轉(zhuǎn)爐沖洗，65℃溫水沖洗45min；轉(zhuǎn)爐回火按工藝設(shè)定速率升溫至170℃充分回火。但記錄顯示瀝油時(shí)長(zhǎng)為4553s，由復(fù)驗(yàn)情況和原始記錄可知，該失效零件的成分復(fù)驗(yàn)與熔煉爐號(hào)成分吻合，有益元素均在中上限；同時(shí)實(shí)測(cè)均發(fā)現(xiàn)滲碳工件表層及隨爐樣品產(chǎn)生并聚集了一定量的殘留奧氏體；又按原始記錄測(cè)算，回火的回爐時(shí)間將超過(guò)2h才開始回火。

4 結(jié)論及建議

根據(jù)宏觀分析、化學(xué)分析、裂紋形貌分析與金相組織分析，可得出以下結(jié)論。

1）未觸及裂紋源的前提下，失效齒輪化學(xué)成分有益元素控制合格；殘余氣體含量控制良好；宏觀磁粉檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)齒輪材料淺表層裂紋存在；微觀觀察無(wú)夾雜物存在，裂紋兩側(cè)無(wú)脫碳現(xiàn)象。由此可見，原材料不存在致裂缺陷。

2）未觸及裂紋源的前提下，兩處裂紋附近顯微組織較均勻，硬度經(jīng)表面及內(nèi)部截面檢測(cè)基本符合生產(chǎn)工藝要求。

3）原始記錄顯示信息與實(shí)測(cè)殘留奧氏體情況相吻合，殘留奧氏體超標(biāo)嚴(yán)重，易造成齒輪強(qiáng)度降低、尺寸超差或局部微裂紋現(xiàn)象。

因此，在裂紋多點(diǎn)局部檢測(cè)基礎(chǔ)上，可推斷原材料無(wú)致裂缺陷。殘留奧氏體因組織不穩(wěn)定，在回火和放置過(guò)程中繼續(xù)轉(zhuǎn)變，過(guò)多的殘留奧氏體直接影響齒輪表面壓應(yīng)力分布，同時(shí)生產(chǎn)加工過(guò)程中，存在操作誤區(qū)，操作不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋源點(diǎn)，超過(guò)材料自身強(qiáng)度，出爐后在應(yīng)力源點(diǎn)位置迅速釋放，環(huán)表面組織應(yīng)力集中區(qū)域致瞬間開裂。

最終建議：齒輪在滲碳直接淬火后，增加冰冷處理來(lái)減少殘留奧氏體；規(guī)范配爐生產(chǎn)，盡可能將同材質(zhì)牌號(hào)、合金系數(shù)相近的滲碳齒輪同爐；齒輪斷裂原因有人為因素存在，因此要糾正人為操作，指導(dǎo)相關(guān)人員正確生產(chǎn)，符合工藝流程。