風(fēng)電增速機(jī)內(nèi)齒圈斷裂原因分析

王長健 李繼昌 衛(wèi)晨鷗

(中國二重檢測(cè)中心，四川618013)

某風(fēng)電增速機(jī)內(nèi)齒圈在風(fēng)場(chǎng)使用不到兩個(gè)月即出現(xiàn)斷裂。該內(nèi)齒圈材質(zhì)為17Cr2Ni2Mo，其生產(chǎn)流程為：鍛造毛坯—粗加工—整體調(diào)質(zhì)—半精加工—表面滲碳淬火(Eht深度要求：2.8 mm～3.8 mm)—精加工及裝配。為了對(duì)內(nèi)齒圈斷裂原因進(jìn)行分析，在內(nèi)齒圈斷裂部位切取一試塊，斷裂內(nèi)齒圈外貌及分析試塊取試位置見圖1。

圖1 斷裂內(nèi)齒圈外貌及試塊取試位置Figure 1 Fractured inner gear ring appearance and sampling position

1 試驗(yàn)方法

對(duì)試塊上的內(nèi)齒圈斷口面進(jìn)行清洗，分析觀察內(nèi)齒圈宏觀斷口形貌。切取3塊低倍試片(編號(hào)分別為1#、2#、3#)進(jìn)行低倍酸洗檢驗(yàn)，觀察內(nèi)齒圈低倍組織形貌，并從宏觀上大致觀察齒面滲碳層深度情況，低倍取樣圖見圖2。在1#低倍試片切取3塊高倍試樣，分別編號(hào)為1-1、1-2、1-3，進(jìn)行齒面的表面滲碳組織分析以及采用顯微硬度計(jì)進(jìn)行有效硬化層深度測(cè)試，高倍取樣圖見圖3。

圖2 低倍取樣圖 Figure 2 Sampling drawing for macroscopic examination

圖3 高倍取樣圖Figure 3 Sampling drawing for microscopic examination

2 檢驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀斷口檢驗(yàn)結(jié)果

將內(nèi)齒圈斷口面用丙酮清洗干凈后觀察，該斷口為疲勞斷口，其宏觀斷口形貌見圖4。整個(gè)斷口主要分為3個(gè)區(qū)域：(1)疲勞源區(qū)，為線狀疲勞源，位于齒根部位；(2)疲勞擴(kuò)展區(qū)，有明顯的疲勞貝殼紋，占整個(gè)斷口面積約45%；(3)瞬斷區(qū)，斷面較擴(kuò)展區(qū)粗糙，其面積約占整個(gè)斷口面積的45%。

2.2 低倍檢驗(yàn)結(jié)果

將切取的試片進(jìn)行酸洗后檢驗(yàn)，低倍組織致密，在1#、2#、3#低倍的齒面的滲碳深度為3 mm左右，在齒根部位滲碳層深度約為1 mm左右，齒面與齒根滲碳層深度相差非常大，見圖5、圖6。

2.3 高倍檢驗(yàn)結(jié)果

將1-1、1-2、1-3三塊高倍試樣磨制后，在未經(jīng)腐蝕的情況下觀察，非金屬夾雜物較少，塑性夾雜物0.5級(jí)，脆性夾雜物1.0級(jí)，夾雜總和1.5級(jí)。疲勞源處(1-3試樣的齒根位置)有數(shù)條裂紋，裂紋細(xì)小彎曲，見圖7。三件高倍試樣用4%的硝酸酒精溶液腐蝕后觀察，疲勞源處的裂紋兩側(cè)均無氧化脫碳現(xiàn)象，裂紋位于滲碳層內(nèi)，見圖8。齒根(1-2高倍試樣)組織有粗大的針狀回火馬氏體，并且存在明顯的組織偏析，按JB/T 6141.3—1992標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，馬氏體+殘余奧氏體級(jí)別符合標(biāo)準(zhǔn)圖的6級(jí)，見圖9、圖10?；w組織為回火索氏體，見圖11。齒頂組織和齒面部位組織均為細(xì)針回火馬氏體，按JB/T 6141.3—1992標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，馬氏體+殘余奧氏體符合標(biāo)準(zhǔn)圖的2級(jí)，表面碳化物級(jí)別符合標(biāo)準(zhǔn)圖的1級(jí)，心部鐵素體級(jí)別為1級(jí)，分別見圖12、圖13。

2.4 有效硬化層深度測(cè)試結(jié)果

分別對(duì)1-2號(hào)高倍的齒根位置、1-1號(hào)高倍齒頂和齒面位置采用半自動(dòng)維氏硬度計(jì)做有效硬化層深度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果為齒根位置有效硬化層深度為1.6 mm，齒面位置有效硬化層深度為2.9 mm，齒頂位置有效硬化層深度為3.8 mm。

3 分析與討論

3.1 從低倍檢驗(yàn)結(jié)果來看，內(nèi)齒圈低倍組織致密，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的冶金缺陷，這說明內(nèi)齒圈材料的冶金質(zhì)量還是比較好的。內(nèi)齒圈斷裂與材料冶金質(zhì)量無關(guān)。

圖5 2#低倍形貌 圖6 3#低倍形貌Figure 5 2# appearance at low magnification Figure 6 3# appearance at low magnification

圖7 1-3號(hào)高倍試樣齒根處裂紋 ×100 圖8 1-3號(hào)高倍試樣斷裂源處裂紋 ×200Figure 7 Crack at tooth root of No.1-3 Figure 8 Crack at fracture source of No.1-3 microscopic specimen ×100microscopic specimen ×200

圖9 齒根組織中的組織偏析 ×100圖10 齒根組織 ×500

Figure 9 Segregation of tooth root structure ×100 Figure 10 Tooth root structure ×500

圖11 基體組織 ×500 圖12 齒頂組織 ×500Figure 11 Matrix structure ×500Figure 12 Tooth top structure ×500

3.2 從高倍檢驗(yàn)結(jié)果來看，在斷裂源區(qū)齒根部位的裂紋未發(fā)現(xiàn)氧化和脫碳現(xiàn)象，這證明內(nèi)齒圈齒根處裂紋的產(chǎn)生與熱處理無關(guān)。

3.3 通過低倍檢驗(yàn)結(jié)果和硬度檢驗(yàn)結(jié)果可知，該內(nèi)齒圈齒根處有效滲碳深度只有1.6 mm左右，遠(yuǎn)小于齒面和齒頂處的滲碳層深度和標(biāo)準(zhǔn)要求(Eht要求最低為2.8 mm)，這必然導(dǎo)致齒根處的疲勞強(qiáng)度降低。從高倍檢驗(yàn)結(jié)果來看，齒根處組織為過熱的粗大馬氏體組織，且組織不均勻，從而導(dǎo)致齒根部位脆性變大。上述事實(shí)說明，內(nèi)齒圈齒根部位疲勞強(qiáng)度低、脆性大，在使用過程中極易在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞裂紋斷口上疲勞源處存在數(shù)條裂紋也印證了這一點(diǎn)，也就是說，導(dǎo)致內(nèi)齒圈疲勞斷裂的原因?yàn)閮?nèi)齒圈齒根部位有效硬化層深度過低及組織中存在粗大的回火馬氏體組織。

圖13 齒面組織 ×500Figure 13 Tooth surface structure ×500

4 結(jié)論

內(nèi)齒圈斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，其產(chǎn)生原因是齒根部位的有效硬化層深度過低以及存在粗大回火馬氏體組織。