摘 要:某型號風機在運轉(zhuǎn)過程中,其齒輪箱中的齒輪軸發(fā)生斷齒。采用宏觀觀察、斷口分析、 能譜分析、硬度測試、金相檢驗等方法對其斷齒原因進行分析。結(jié)果表明:齒輪軸齒部斷裂特征為 疲勞斷裂,裂紋源處存在大尺寸 B類氧化鋁夾雜物,引起該處明顯的應力集中,導致齒輪軸發(fā)生斷 齒。最后提出了整改措施,經(jīng)過整改后,該風機齒輪軸未出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞:風電齒輪箱;齒輪軸;斷齒;疲勞斷裂;大尺寸夾雜物

中圖分類號:TG115.5 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)10-0075-04

齒輪軸是風電齒輪箱的核心部件,一端用來嚙 合齒輪,另一端用來過盈裝配大齒輪,其承受的彎曲 應力較大,在使用過程中容易發(fā)生斷齒。齒輪軸的 材料為 18CrNiMo7-6 鋼,其 一 般 的 生 產(chǎn) 工 藝 流 程 為:煉鋼→鍛造→鍛后正回火→粗加工→滲碳淬火 →精加工。某風電齒輪箱在運轉(zhuǎn)了約10個月后,其 齒輪軸發(fā)生斷齒,齒輪軸結(jié)構(gòu)示意及斷齒的齒輪軸 宏觀形貌如圖1所示。筆者采用一系列理化檢驗方 法對該齒輪軸的斷齒原因進行分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

用線切割的方式對齒輪軸斷齒部分進行切割取 樣 ,斷齒的宏觀形貌如圖2所示。整個齒輪軸只有一顆齒發(fā)生了斷裂,斷口宏觀形貌完整,無磨損、銹 蝕情況,其余輪齒較完整。從未斷裂齒面情況來看, 齒面嚙合痕跡比較清晰,軸向和徑向嚙合面積大于 95%,不存在偏載情況,初步排除由于齒輪裝配或齒 輪傳動異常導致斷齒的可能。

齒輪軸斷口處的宏觀形貌如圖3所示,圖3中 存在明顯的疲勞弧線[1],根據(jù)裂紋源的擴展方向可 以判斷裂紋源的位置,裂紋源位于次表面,斷口屬于 單一裂紋源疲勞斷裂。

1.2 化學成分分析

從斷齒上取樣,按照 GB/T4336—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)》,用直讀光譜儀分析斷齒心部的 化學成分,結(jié)果如表1所示,結(jié)果符合 EN10084— 2008《滲碳鋼交貨技術(shù)條件》對18CrNiMo7-6鋼的 要求。

1.3 掃描電鏡(SEM)分析

采用SEM 對裂紋源進行觀察,結(jié)果如圖4所 示,由圖4可知:裂紋源處存在與周圍基體明顯不同 的物質(zhì),長度約2~3mm,疑似為夾雜缺陷,裂紋從 裂紋源處向四周擴散,存在明顯的疲勞弧線和輝紋, 裂紋源附近區(qū)域呈準解理微觀形貌。

1.4 能譜分析

采用能譜分析儀對裂紋源處的疑似夾雜物進行 分析,結(jié)果如圖5所示,由圖5可知:裂紋源處 Al,O 元素 含 量 異 常,遠 高 于 標 準 EN 10084—2008 對 18CrNiMo7-6鋼的要求,分析可知該夾雜物屬于 B 類氧化鋁夾雜物。

1.5 齒面磨削燒傷檢測

切取 斷 齒 和 非 斷 齒 的 齒 面,按 標 準 GB/T 17879—1999《齒輪磨削后表面回火的浸蝕檢驗》進 行磨削燒傷檢測,未發(fā)現(xiàn)磨削燒傷痕跡,說明不存在 生產(chǎn)制造或使用維護不當導致高溫損毀的情況[2]。 斷齒和非斷齒齒面浸蝕后的宏觀形貌如圖6所示。

1.6 硬度測試

在斷 齒 的 表 面 和 心 部 取 樣,按 標 準 GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分: 試驗方法》進行硬度測試,結(jié)果如表2所示,表面硬 度的 平 均 值 為 60.3 HRC,心 部 硬 度 的 平 均 值 為 33.7HRC,結(jié)果滿足設計要求。

1.7 齒面滲碳層深度和硬度梯度分析

從斷齒上取樣,按照 GB/T9450—2005 《鋼件 滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》測試其硬度梯 度,結(jié)果如表3所示,齒面硬度梯度曲線如圖7所 示,滲碳層深度為2.0mm,滿足設計要求。

1.8 金相檢驗

從斷齒上取樣,用體積分數(shù)為4%的硝酸乙醇 溶液腐蝕,按照JB/T6141.3—1992 《重載齒輪 滲 碳金相檢驗》,用光學顯微鏡評定斷齒表面和心部的 顯微組織,結(jié)果如圖8所示,由圖8可知:斷齒表面 組織為細針狀馬氏體、殘余奧氏體和碳化物(2級); 心部組織為板條馬氏體及少量鐵素體[3],符合ISO6336-5:2003《正齒輪和斜齒輪承載能力的計算 第 5部分 材料的強度和質(zhì)量》的 MQ 級 要 求。按 照 GB/T6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》,用 光學顯微鏡檢驗心部的晶粒度,結(jié)果為7.5級,符合 標準要求(≥6級)。

2 綜合分析

為了找到斷齒的原因,需要從齒輪箱設計、生產(chǎn) 制造和使用維護等多個方面進行分析。該風機齒輪 箱沒有發(fā)生大批量斷齒的情況,故可以排除設計原 因。

該齒輪箱僅運轉(zhuǎn)了10個月左右就發(fā)生了斷齒, 使用時間較短,且風場對振動、油溫、油壓等關(guān)鍵參 數(shù)都有大數(shù)據(jù)實時監(jiān)控,斷齒的齒輪箱各監(jiān)控數(shù)據(jù) 與風場其他齒輪箱并無明顯差異,故可以排除使用 維護的原因。

由斷齒齒輪的宏觀形貌可知:齒面嚙合面積大 于95%,說明不存在偏載情況,可以初步排除由于 齒輪裝配或齒輪傳動異常導致斷齒的可能。

由齒面磨削燒傷分析結(jié)果可知:斷齒和非斷齒 的齒面均未發(fā)現(xiàn)磨削燒傷痕跡,可以排除由于生產(chǎn) 制造或使用維護不當產(chǎn)生磨削燒傷導致齒面點蝕剝 落,進而導致斷齒的可能。

由化學成分、硬度測試和金相檢驗結(jié)果可知:齒 輪軸斷齒的化學成分、晶粒度、齒面硬度、滲碳層深 度、硬度梯度等結(jié)果均符合設計及標準要求。

從斷口的 SEM 分析可知:裂紋源處存在疑似 夾雜物,結(jié)合能譜分析得到裂紋源處 Al,O 元素含 量異常,判斷為 B類氧化鋁夾雜物。氧化鋁夾雜物 硬度高、受力時不易變形,大尺寸氧化鋁夾雜物的存 在會割裂基體的連續(xù)性,降低材料的疲勞強度。當 夾雜物處在承受應力較大位置時,夾雜物周圍易產(chǎn) 生應力集中,從而萌生疲勞裂紋,隨著時間的延長, 裂紋會進一步擴展,最終發(fā)生疲勞斷裂[4]。

3 整改措施

(1)煉鋼熔化期:烘干電爐爐襯,控制爐料的純 凈度、高氧化性、好的流動性,適量的熔渣,中等偏低 溫度[5]。

(2)煉鋼氧化期:增大沸騰程度、延長沸騰時 間、徹底扒渣、控高溫、薄渣、加大供氧量和氬氣量。

(3)煉鋼還原期:烘干鋼包爐襯、控制加入合金 的純凈度、降低 O 元素和 S元素的含量、控制氬氣 攪拌。

(4)煉鋼真空脫氣:采用氬氣攪拌、延長脫氣時 間。

(5)澆注:采用氬氣保護,防止二次氧化,吹掃 干凈出鋼槽。

(6)鍛造:充分鍛打,采用合適的利用率。

4 結(jié)語

該風機齒輪軸斷齒屬于單源疲勞斷裂,裂紋源 處存在大尺寸的 B類氧化鋁夾雜物,冶煉缺陷是齒 輪軸發(fā)生斷齒的主要原因。經(jīng)整改后,筆者單位生 產(chǎn)了近百件產(chǎn)品,都未發(fā)生開裂。

參考文獻:

[1] 鐘群鵬,趙子華.斷口學[M].北京:高等教育出版社, 2006.

[2] 吳建華,李平平,梁雪冬,等.地鐵列車從動齒輪表面 裂紋產(chǎn) 生 原 因 [J].理 化 檢 驗 (物 理 分 冊),2022,58 (6):63-65.

[3] 催忠圻,覃耀春.金屬學與熱處理[M].北京:機械工 業(yè)出版社,2007.

[4] 康大韜,葉國斌.大型鍛件材料及熱處理[M].北京: 龍門書局,1998.

[5] 邱紹崎,祝桂華.電爐煉鋼原理及工藝[M].北京:冶 金工業(yè)出版社,2008.

<文章來源 >材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 10期 (pp:75-78)>