減速齒輪箱二級蝸桿軸失效研究

周鵬

遼寧紅沿河核電有限公司 遼寧大連 116319

1 序言

鼓網(wǎng)減速齒輪箱通過低速電動機、中高速電動機帶動減速機一級齒輪箱運轉(zhuǎn)，傳動至減速機二級齒輪箱，再由二級齒輪箱帶動鼓網(wǎng)驅(qū)動軸，進而帶動鼓網(wǎng)運轉(zhuǎn)。某電廠鼓網(wǎng)齒輪箱在運行過程中，齒輪箱二級減速器蝸桿軸發(fā)生斷裂。本文對斷裂試樣進行了成分、微觀組織和硬度檢測，并結(jié)合運行工況對其進行了失效分析。

2 宏觀觀察

圖1所示為斷口的宏觀形貌，蝸桿軸斷裂于中高速電動機側(cè)鍵槽位置，斷面較為平整，除鍵槽對側(cè)有較小區(qū)域的輕微變形外，斷口整體無明顯塑性變形，為脆性斷口。

圖1 斷口宏觀形貌

3 理化檢驗

3.1 化學(xué)成分分析

對斷裂的蝸桿軸部取樣進行化學(xué)成分分析，檢測標準為GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》[1]，主要成分見表1。

從表1可看出，試樣CF1和CF2主要成分相當(dāng)于GB/T 5216—2014《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》中的16MnCrS5鋼[2]。

表1 斷裂的蝸桿軸化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

3.2 金相檢驗

對蝸桿軸的斷口橫截面取樣進行金相檢驗，結(jié)果如圖2所示。同時對縱截面取樣進行非金屬夾雜物檢驗，結(jié)果如圖3所示。

圖2 斷口附近橫截面金相組織

圖3 斷口附近縱截面非金屬夾雜形貌

金相檢驗結(jié)果表明，軸部位各取樣位置表層和基體的顯微組織均為貝氏體+鐵素體，鐵素體呈網(wǎng)狀分布，為非調(diào)質(zhì)態(tài)組織，且表面無滲碳淬火強化組織。

非金屬夾雜物檢驗結(jié)果表明，斷口附近及斷口遠端未開裂側(cè)鍵槽處縱截面取樣的非金屬夾雜物均為A類粗系3級（A3e），參考GB/T 5216—2014，非金屬夾雜物等級已超出標準規(guī)定的上限值（A2.5e）[2]。

3.3 硬度測試

依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》[3]對斷口附近橫截面（取樣編號：J1）表層及心部進行維氏硬度測試，依據(jù)GB/T 230.1—2009《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》[4]對樣品心部進行洛氏硬度測試，結(jié)果見表2、表3。

表2 維氏硬度試驗結(jié)果 （HV10）

表3 洛氏硬度試驗結(jié)果 （HRC）

硬度測試結(jié)果表明，取樣位置表層和心部的硬度值分布較為均勻，未見明顯差異，硬度值和顯微組織相吻合，表明試樣未經(jīng)淬火或調(diào)質(zhì)熱處理。同時，參考JB/T 7935—2015《圓弧圓柱蝸桿減速器》[5]中對16M n C r S5鋼蝸輪軸的要求（心部最小硬度30HRC），蝸桿軸硬度值低于標準要求。

3.4 斷口微觀分析

對送檢蝸桿軸斷裂位置的斷口形貌進行掃描電鏡微觀觀察，掃描電鏡微觀形貌如圖4所示。

由圖4可知，鍵槽側(cè)的斷口1區(qū)、2區(qū)為裂紋源區(qū)，可見臺階狀特征；斷口3區(qū)、4區(qū)為擴展區(qū)，可見疲勞條帶特征；斷口5區(qū)為終斷區(qū)，有塑性變形特征，微觀上可見韌窩形貌。由此表明，蝸桿軸斷口為典型的疲勞斷裂，是脆性斷裂的一種，驗證了斷口宏觀檢查的結(jié)論。

圖4 斷口微觀形貌

4 失效分析

宏觀檢查結(jié)果表明，蝸桿軸斷裂面為脆性斷裂斷口。

理化檢驗結(jié)果表明，蝸桿軸化學(xué)成分為16MnCrS5鋼。

蝸桿軸的顯微組織為貝氏體+鐵素體，鐵素體呈網(wǎng)狀分布，為非調(diào)質(zhì)態(tài)組織，硬度結(jié)果顯示表層組織與心部組織硬度較為均勻，無明顯差異。斷口微觀分析表明，蝸桿軸斷口為典型的疲勞斷裂斷口，為脆性斷裂。

經(jīng)對運行現(xiàn)場調(diào)查，減速齒輪箱現(xiàn)場服役工況為蝸桿軸長期處于振動超標狀態(tài)，振動是引起蝸桿軸疲勞斷裂的直接原因。

綜上所述，蝸桿軸發(fā)生疲勞斷裂的原因有三個方面：一是蝸桿軸未進行調(diào)質(zhì)處理和表面熱處理，疲勞性能不佳；二是運行過程中存在較大的交變載荷，在應(yīng)力集中的鍵槽位置發(fā)生了疲勞裂紋的萌生和擴展，最終導(dǎo)致斷裂；三是蝸桿軸材料基體內(nèi)存在較多的夾雜物，破壞了材料基體的連續(xù)性，加速了疲勞裂紋的擴展。

5 結(jié)論與建議

對斷裂的蝸桿軸進行了失效分析研究，得出如下結(jié)論。

1）蝸桿軸材料為16MnCrS5鋼，其微觀組織為貝氏體+鐵素體組織，為非調(diào)質(zhì)態(tài)組織，且未進行表面滲碳淬火強化。

2）蝸桿軸材料表層和心部的硬度分布較為均勻，未見明顯差異，進一步表明蝸桿軸未經(jīng)淬火或調(diào)質(zhì)處理。

3）蝸桿軸在運行過程中在鍵槽位置收到交變載荷作用，使其發(fā)生疲勞裂紋萌生和擴展，同時軸材料基體內(nèi)存在較多的夾雜物，破壞了材料基體的連續(xù)性，加速了疲勞裂紋的進一步擴展，最終導(dǎo)致斷裂。

因此，建議后續(xù)改善設(shè)備運行過程中的振動情況，以降低蝸桿軸承受的交變載荷，同時對后續(xù)采購蝸桿軸備件表面硬度進行抽檢。