齒圈開裂失效分析

金榮芳，丁惠麟

(南京金城機(jī)械有限公司，南京 211121)

0 引言

高速齒輪箱人字齒圈組合件組裝后，試車運(yùn)行2 h 未發(fā)現(xiàn)異常。過一周后進(jìn)行第二次試車時(shí)，開機(jī)發(fā)現(xiàn)齒圈轉(zhuǎn)不動(dòng)，并有開裂聲音。打開視孔蓋后發(fā)現(xiàn)一個(gè)齒圈開裂，開箱后發(fā)現(xiàn)另一個(gè)齒圈也開裂，如圖1 所示。

齒圈技術(shù)要求:材料為20CrMnMo 鋼，滲碳、淬回火后表面有效硬化層深度3.0～3.8 mm，齒部表面硬度HRC 58～62，心部硬度HRC 33～42。

齒圈生產(chǎn)流程:1 220～800 ℃鍛造成毛坯→粗加工→滲碳、淬回火→精加工。

分級(jí)加熱滲碳工藝:650 ℃→860 ℃→930 ℃滲碳→840 ℃強(qiáng)冷至400 ℃以下出爐。螺紋孔、端面及內(nèi)孔涂防滲劑保護(hù)(實(shí)際螺紋孔內(nèi)用石棉繩堵塞保護(hù))。

分級(jí)加熱淬火工藝:650 ℃→830 ℃保溫6 h→油冷→190 ℃保溫24 h 回火→空冷。

齒圈熱套步驟:加工好的齒圈加熱后套在輪轂上，再將齒圈和輪轂一起加熱后套在軸上，使3個(gè)部件緊密地組裝在一起，然后車磨成型(圖2)。

此高速齒輪箱是大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備上的主要部件，作為一種新型的綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)，風(fēng)力發(fā)電在國內(nèi)外得到了大力發(fā)展。齒圈開裂使得設(shè)備無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，給企業(yè)造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。為了查明齒圈的開裂原因，對(duì)開裂件做了一系列的檢查分析［1-3］。本研究通過對(duì)齒圈斷口宏觀和微觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測定、低倍組織檢查、非金屬夾雜物檢查、顯微金相組織檢查等，分析了其開裂原因，對(duì)同類故障的分析和避免類似故障的重復(fù)發(fā)生具有一定的借鑒意義。

圖1 齒圈開裂后的裂紋形態(tài)Fig.1 Cracking morphology of gear ring

圖2 齒圈、輪轂和軸熱套組裝后的形態(tài)Fig.2 Assembling morphology of gear ring，hub and shaft after heating

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

齒圈兩端面各有2 個(gè)安裝孔，斷裂是從相對(duì)深度較淺的螺紋孔A 靠近底部和底部處開始，呈多源特征(圖3)。斷面可看到3 個(gè)區(qū)域:第1 個(gè)區(qū)域有深藍(lán)色的氧化層，第2 個(gè)區(qū)域呈灰白色的平坦區(qū)，第3 個(gè)呈放射狀的粗糙區(qū)，其面積較大。在螺紋孔底部和附近的螺紋處，由于加工不良形成密集的細(xì)小裂紋(圖4)。而圖3a 中螺紋孔B 清洗后檢查，其加工表面雖粗糙，但未發(fā)現(xiàn)有微裂紋存在。

圖3 斷面及裂紋源區(qū)形貌Fig.3 Morphology of fracture surface and crack source

圖4 加工形成的微裂紋(箭頭處為裂源處的氧化色)Fig.4 Micro cracks formed in machining process(arrows pointing to crack sources with oxide color)

1.2 掃描電鏡檢查

從圖3a 中A 處取樣觀察，螺紋底部裂源處有密集的微裂紋(加工微裂紋)存在，開裂是從微裂紋處擴(kuò)展所致(圖5a);斷面靠近螺紋邊緣呈沿晶狀開裂，圖3bⅡ區(qū)呈解理形貌(圖5b)，有少量撕裂棱為韌窩形貌;Ⅲ區(qū)為準(zhǔn)解理形貌(圖5c)［4-5］。對(duì)氧化色處進(jìn)行能譜成分分析，結(jié)果表明主要含氧化鐵和少量的合金元素。

圖5 斷口不同區(qū)域的微觀形貌Fig.5 Micro morphology of fracture at different position

1.3 化學(xué)成分分析

經(jīng)光譜分析，齒圈的化學(xué)成分見表1，符合JB/T 6396—2006 中20CrMnMo 鋼的要求。

1.4 硬度測定

靠近螺紋處滲碳層硬度為HV0.2304，而中心區(qū)為HBW 234。

表1 齒圈的化學(xué)成分及標(biāo)準(zhǔn)要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of gear ring (mass fraction/%)

1.5 酸蝕低倍組織檢查

切取下面一片試樣，磨平后進(jìn)行熱酸蝕低倍試驗(yàn)，結(jié)果一般疏松、中心疏松等均小于1 級(jí)。

1.6 鋼中非金屬夾雜物檢查

按GB/T 10561—2005 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，B、D 和DS等夾雜均為1 級(jí)。

1.7 顯微金相組織檢查

在裂源部位，觀察螺紋處、螺紋近底部無螺紋的光桿處和螺紋孔底部加工表面，結(jié)果這些部位的表面均有微裂紋和分散及網(wǎng)絡(luò)狀氧化物(圖6)，侵蝕后在表層均有滲碳層和少量脫碳現(xiàn)象(斷裂部位無脫碳現(xiàn)象)，滲碳層深度約為0.5 mm(圖7)，滲碳層組織主要為珠光體。心部組織為條帶狀粒狀貝氏體+鐵素體+珠光體［6］(圖8)。螺紋孔靠近端面處滲碳層較深，整個(gè)螺紋已滲透。

2 分析與討論

齒圈開裂是從吊裝孔靠近底部和螺紋孔底部開始的，呈多源形態(tài)，裂源處有深藍(lán)和藍(lán)黑色氧化膜。螺紋孔靠近底部和底部區(qū)域由于機(jī)械加工不良，導(dǎo)致加工表面產(chǎn)生不同形態(tài)的密集微裂紋，裂源從微裂紋處形成。

斷口有明顯的3 個(gè)區(qū)域，即裂源處的氧化色區(qū)、較平坦的擴(kuò)展區(qū)和較粗糙的呈放射狀的快速擴(kuò)展區(qū)［4］。

顯微組織中可看到螺紋孔內(nèi)有滲碳層，靠端面螺紋孔口處滲碳層較深，整個(gè)螺紋已滲透，而靠近螺紋孔底部則較淺(約0.5 mm)。說明螺紋孔在滲碳過程中，石棉堵塞未能保護(hù)好，滲碳?xì)夥找堰M(jìn)入，引起螺紋孔內(nèi)不同程度的滲碳現(xiàn)象。螺紋表面滲碳后，表面硬度高，脆性增大。從圖5b 中可以看出斷面靠近螺紋邊緣呈沿晶狀開裂，隨后呈解理形貌，均為脆斷特征，說明其脆性較大。

圖6 螺紋加工表面的微裂紋和氧化物Fig.6 Microcracks and oxide on the machining surface of thread

圖7 表面滲碳層和少量脫碳Fig.7 Carburized layer and slight decarburization

圖8 條帶狀粒狀貝氏體+鐵素體+珠光體Fig.8 Stripped and granular bainite+ferrite+pearlite

一般零件在熱處理過程中，由于內(nèi)外冷卻的不同時(shí)性，會(huì)產(chǎn)生組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，隨著直徑的增大，未淬透部分的增多，熱應(yīng)力隨之增加。所以，大型零件容易產(chǎn)生“熱應(yīng)力型內(nèi)裂”［7］。齒圈的橫截面積在536 mm ×300 mm 左右，裂源部位仍保持片狀珠光體為主的組織，說明在熱處理過程中，螺紋孔底區(qū)域存在一定的熱應(yīng)力。在熱處理淬火過程中，中心冷至600 ℃以下處于彈性狀態(tài)，易在熱應(yīng)力的拉伸作用下，在加工粗糙的微裂紋處因應(yīng)力集中而形成裂紋［8-9］，同時(shí)引起裂紋表面的高溫氧化。裝車試車時(shí)，在啟動(dòng)時(shí)較大應(yīng)力的沖擊作用下，會(huì)使裂紋擴(kuò)展。當(dāng)?shù)诙卧囓嚂r(shí)，齒輪再次受到啟動(dòng)應(yīng)力的沖擊，瞬時(shí)導(dǎo)致齒圈的整體開裂。

3 結(jié)論

1)齒圈材料符合20CrMnMo 鋼的相關(guān)技術(shù)要求。

2)齒圈吊裝螺紋孔加工表面粗糙度差出現(xiàn)密集的微裂紋、熱處理時(shí)較高的熱應(yīng)力和螺紋內(nèi)滲碳是導(dǎo)致齒圈開裂的主要原因。

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