重載電力機(jī)車牽引主動(dòng)齒輪裂紋分析

北京南口軌道交通機(jī)械有限責(zé)任公司 （102202） 陳更強(qiáng) 王盼盼 李廣慶 李 忙

某重載電力機(jī)車牽引主動(dòng)齒輪，機(jī)務(wù)段大修拆卸后，經(jīng)熒光磁粉無損檢測，發(fā)現(xiàn)大凸臺表面有細(xì)小軸向裂紋，位于兩個(gè)分別寬約3mm、5mm的周向帶上（見圖1）。主動(dòng)齒輪輪齒部分完好，嚙合正常，而大凸臺表面白亮帶上有明顯的周向摩擦的痕跡（見圖2）。從大凸臺端面起第二個(gè)密封槽左側(cè)兩個(gè)寬約3mm、5mm的周向白亮帶對應(yīng)圖1中的兩個(gè)裂紋帶。靠近大凸臺端面的一個(gè)白亮帶上有很少的零星裂紋分布。

圖1

圖2

大凸臺及輪齒內(nèi)孔與牽引電動(dòng)機(jī)軸過盈配合，大凸臺外圓表面與鋁合金密封裝置形成迷宮非接觸式密封。該齒輪材質(zhì)為18CrNiMo7-6，加工工藝為：圓鋼下料→鍛造→正火→高溫回火→車加工→滾齒→滲碳→一次淬火→高溫回火→二次淬火→低溫回火→噴丸→磨加工。

1.檢驗(yàn)

用直讀光譜測定其化學(xué)成分，結(jié)果見表1，符合技術(shù)要求。

非金屬夾雜物按GB/T 10561－2005標(biāo)準(zhǔn)的A法評定，結(jié)果見表2，符合材料技術(shù)要求。

表1 18CrNiMo7-6化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2

顯微組織分析：沿軸向取樣，穿過圖2中兩條密封槽、白亮帶和暗黃色帶，檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)從大凸臺端面起第二個(gè)密封槽左側(cè)兩個(gè)寬約3mm、5mm的周向白亮帶上，表面存在較嚴(yán)重的淬回火燒傷或回火燒傷，尤以5mm寬的周向白亮帶燒傷最為嚴(yán)重（見圖3、圖4）。其余白亮帶上表面存在相對較輕的回火燒傷（見圖5、圖6），而暗黃色帶上表面未見明顯燒傷（見圖7）。

圖3 5mm寬的周向白亮帶表面淬回火燒傷組織

圖4 3mm寬的周向白亮帶表面淬回火燒傷組織

圖5 從大凸臺端面數(shù)第一條白亮帶表面回火燒傷組織（有零星裂紋）

圖6 從大凸臺端面數(shù)第二條白亮帶表面回火燒傷組織（無裂紋）

圖7 暗黃帶表面組織

在5mm寬的周向白亮帶上垂直于裂紋取周向試樣，發(fā)現(xiàn)大凸臺表面裂紋數(shù)條，深度在0.06～0.10mm（見圖8）。裂紋所在區(qū)域存在深度0.02～0.04mm的明顯回火燒傷現(xiàn)象（見圖9、圖10）。此外還發(fā)現(xiàn)，裂紋區(qū)內(nèi)凸臺最表面附著存在一層灰暗色物質(zhì)，疑為氧化物（見圖11、圖12）。

圖8 5mm寬的周向白亮帶上表面裂紋

圖9 5mm寬的周向白亮帶上表面回火燒傷組織

圖10 5mm寬的周向白亮帶上表面回火燒傷組織

圖11 裂紋區(qū)凸臺最表面氧化物

對圖12中裂紋附近區(qū)域進(jìn)行硬度梯度檢測，結(jié)果見圖13。可見表面回火燒傷區(qū)硬度為55.5HRC，比0.1mm處的58.5HRC相比下降了3HRC，產(chǎn)生了明顯的回火燒傷軟化。

圖12 裂紋區(qū)凸臺最表面氧化物

對軸向取試樣的密封槽，也是代表凸臺表面原始滲碳淬火組織的區(qū)域，進(jìn)行金相硬度檢測，評級標(biāo)準(zhǔn)為TB/T 2254－1991和GB/T 3480.5，結(jié)果見表3。可見，熱處理滲碳淬火質(zhì)量符合產(chǎn)品技術(shù)要求。

圖13 5mm寬的周向白亮帶上硬度梯度

表3

2.分析

該主動(dòng)輪大凸臺周向白亮帶上均存在不同程度的回火燒傷，尤以裂紋所在的圖2中大凸臺端面起第二個(gè)密封槽左側(cè)兩個(gè)寬約3mm、5mm的周向白亮帶燒傷最為嚴(yán)重，從圖2可見，大凸臺白亮帶表面有明顯的周向摩擦痕跡，因此這種燒傷是摩擦熱所致。

從周向試樣檢驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)裂紋區(qū)內(nèi)大凸臺最表面附著存在一層疑為氧化物的灰暗色物質(zhì)，由于此區(qū)域出廠狀態(tài)為磨削加工，不可能存有氧化物，且滲碳淬火后的氧化物形態(tài)與裂紋區(qū)內(nèi)凸臺最表面存在這一層氧化物完全不同，反映原始組織的密封槽內(nèi)滲碳淬火后表面內(nèi)氧化見圖14。故認(rèn)為裂紋區(qū)內(nèi)大凸臺最表面存在這一層氧化物，是齒輪在使用過程中，大凸臺表面受到強(qiáng)烈摩擦熱的作用，產(chǎn)生高溫，在使表面產(chǎn)生淬回火燒傷的同時(shí)，由于密封材料是鋁合金，硬度和熔點(diǎn)較低，密封材料接觸表面發(fā)生融化和轉(zhuǎn)移，熔敷在大凸臺表面。同時(shí)，在高溫下發(fā)生氧化，形成圖11、圖12所示的灰暗色物質(zhì)層。

對圖12中大凸臺表面5mm白亮帶上附著的灰暗物質(zhì)在掃描電鏡下配合EDS分析化學(xué)成分，檢測部位見圖15a、圖16a，檢測結(jié)果見圖15b、圖16b和表4、表5?；野滴镔|(zhì)的主要成分按質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為Al、O、Fe 、Si、Mg，其中，鋁、氧元素重量百分含量：位置1（遠(yuǎn)離裂紋）為69.95%，20.68%；位置2（裂紋附近）為65.97%，30.23%。由此證實(shí)：大凸臺表面5mm白亮帶上附著的灰暗物質(zhì)，主要成分為鋁氧化物，系鋁合金密封材料在與大凸臺表面之間強(qiáng)烈的摩擦熱作用下產(chǎn)生高溫，發(fā)生熔化、附著和氧化的結(jié)果。并且，在裂紋附近氧含量更高，氧化現(xiàn)象更嚴(yán)重，表明該處溫度也更高。

熔敷氧化物在繼續(xù)摩擦作用下，大部分發(fā)生脫落，只有小部分保留下來，因此該區(qū)域總體顏色顯示為白亮。而暗黃帶上無燒傷組織，表明該處溫度相對較低，對該處表面產(chǎn)生低溫回火及輕微氧化，表面形成氧化膜，從而使表面著暗黃氧化色，該處溫度升高的原因來自白亮帶的熱傳導(dǎo)。

主動(dòng)齒輪大凸臺與牽引電動(dòng)機(jī)密封裝置配裝，大凸臺表面與密封裝置之間存在較大間隙。正常工作時(shí)，大凸臺表面與密封裝置之間不發(fā)生接觸。大凸臺外徑的測量結(jié)果為165.95mm，符合技術(shù)要

圖14 密封槽內(nèi)表面內(nèi)氧化

圖15

圖16

表4 位置1灰暗物質(zhì)內(nèi)各元素含量

表5 位置2灰暗物質(zhì)內(nèi)各元素含量

上述檢驗(yàn)結(jié)果表明，大凸臺（也就是電動(dòng)機(jī)軸）工作發(fā)生了大的徑向竄動(dòng)，使大凸臺表面與密封裝置發(fā)生了接觸和摩擦，此時(shí)應(yīng)是電動(dòng)機(jī)軸承發(fā)生了故障。

由于大凸臺表面與密封裝置發(fā)生了接觸和強(qiáng)烈的摩擦，使溫度升高，在表面產(chǎn)生淬回火燒傷的同時(shí)，密封材料發(fā)生融化和轉(zhuǎn)移，大凸臺表面產(chǎn)生了附著氧化物。在熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和摩擦力的綜合作用下，形成了表面裂紋。

3.結(jié)語

該主動(dòng)齒輪出廠時(shí)所有指標(biāo)均合格。大凸臺表面裂紋系電動(dòng)機(jī)軸承故障，導(dǎo)致大凸臺表面與密封裝置發(fā)生了接觸和強(qiáng)烈的摩擦，表面產(chǎn)生了淬回火燒傷。在摩擦力、熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的綜合作用下，產(chǎn)生表面裂紋。

（20130801）