夏春龍,王旭東,潘嘉玉,王建國,李明澤
(太原重工軌道交通設(shè)備有限公司,山西 太原 030032)
某公司鍛軋生產(chǎn)線輻板輥軸服役一個月后,花鍵開始出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象,受委托對其失效原因進(jìn)行分析。輻板輥軸花鍵材質(zhì)為55NiCrMoV7,熱處理狀態(tài)為淬火+回火。
輻板輥軸花鍵齒數(shù)為42,其中斷齒約1/2。斷齒大多數(shù)為多齒連續(xù)斷裂,斷齒約占齒長1/3~1/2,斷齒形態(tài)主要為沿齒根斷裂,斷口面油污銹蝕污染嚴(yán)重,未斷齒齒根幾乎大部分輪齒都清晰可見多條縱向裂紋,齒面碾壓塑性變形特征明顯,見圖1所示。
圖1 宏觀形貌
對輻板輥軸花鍵解剖,縱向取低倍、硬度試片,橫向取高倍及電鏡試塊。
齒面呈典型的波浪狀接觸疲勞形貌,表面劃傷嚴(yán)重。齒根附近有明顯的壓塌區(qū)域,齒根附近齒面可見多條平行裂紋,見圖2。
圖2 齒面形貌
輻板輥軸的化學(xué)成分結(jié)果見表1。化學(xué)成分符合55NiCrMoV7材質(zhì)成分要求。
表1 輻板輥軸成分 %
1.4.1 調(diào)質(zhì)硬度
調(diào)質(zhì)硬度結(jié)果見表2。
表2 調(diào)質(zhì)硬度結(jié)果表
1.4.2 齒面硬度
齒頂處齒面硬度檢測為:HRC50.8;HRC 50.6
試驗(yàn)結(jié)果表明,硬度值低于圖紙要求HRC55~60。
1.5.1 酸浸
試片酸浸后,花鍵側(cè)有連續(xù)分布的裂紋,深度約8 mm,裂紋觀察為齒根處延伸至截面。齒面方向觀察,齒根裂紋幾乎貫穿整個齒長此外,未發(fā)現(xiàn)其他宏觀缺陷。
1.5.2 組織分析
高倍試樣鑲嵌后拋光狀態(tài)下觀察,齒根裂紋開口處與齒根表面約呈10°角方向起裂,且開口外寬內(nèi)窄,延伸約100μm后,約呈60°角向內(nèi)擴(kuò)展,裂紋尖端有分叉現(xiàn)象,見圖3-1所示。齒根處還可見多處小角度接觸疲勞裂紋,見圖3-2所示。
試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后,齒根裂紋旁組織與基體一致,為回火索氏體,晶粒度8.0級。齒頂裂紋旁組織與裂紋附近區(qū)域組織一致,均為回火馬氏體,齒頂區(qū)域?yàn)榇慊鸾M織形態(tài),未觀察到滲氮組織特征。淬火區(qū)域僅分布在齒頂位置,齒面與齒根均未淬火。淬火區(qū)域與基體交界處明顯?;ㄦI基體組織為回火索氏體+沿晶網(wǎng)狀分布的細(xì)顆粒狀碳化物,碳化物所圍成的晶粒約4.0級,見圖3-3、3-4。非金屬夾雜物A類0.5級,D類0.5級。
圖3 花鍵裂紋及組織
1.5.3 齒頂區(qū)域硬化層及成分面掃
齒頂區(qū)域淬硬層深度約0.7 mm,硬度梯度分布見圖4所示。齒頂成分面掃未檢測到N元素,見圖5所示。
圖4 齒頂硬度梯度圖
圖5 齒頂面掃
試驗(yàn)結(jié)果表明,花鍵齒部未進(jìn)行滲氮處理。
輻板輥軸花鍵化學(xué)成分符合55NiCrMoV7要求。齒面硬度低于圖紙要求。鍛件除花鍵附近裂紋外,未見宏觀缺陷。鍛件非金屬夾雜物合格,晶粒度合格。組織為回火索氏體+網(wǎng)狀分布的細(xì)顆粒狀碳化物,屬調(diào)質(zhì)組織,但碳化物呈網(wǎng)狀,屬熱處理缺陷,應(yīng)當(dāng)避免?;ㄦI齒部為淬火組織,僅齒頂區(qū)域存在。未檢測到氮元素,可確定花鍵未滲氮。
輻板輥軸在服役過程中屬主動傳動件,電機(jī)扭矩通過花鍵聯(lián)接形式傳動到輻板輥機(jī)構(gòu)中,旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時主要為單側(cè)齒面受壓?;ㄦI齒面劃傷及接觸疲勞裂紋均說明服役過程中存在應(yīng)力大現(xiàn)象。斷齒雙側(cè)齒根均開裂,說明齒根受到雙向彎曲應(yīng)力,這可能與制動時反向受力有關(guān)。此外,輻板輥軸在使用過程中與不同的輻板輥嚙合使用,也是輻板輥軸易于成為失效件的客觀原因。
輻板輥軸花鍵表面未按圖紙要求滲氮處理,僅齒頂進(jìn)行淬火處理。在使用過程中表現(xiàn)出來的多條接觸疲勞裂紋與塑性壓塌等現(xiàn)象,均說明硬度方面不滿足實(shí)際服役要求。
表面接觸裂紋產(chǎn)生后,在齒根彎曲應(yīng)力較大區(qū)域,以接觸疲勞裂紋為應(yīng)力提升源,由外而內(nèi)擴(kuò)展開裂,開裂過程中,早期以疲勞方式擴(kuò)展,后期呈過應(yīng)力快速撕裂,導(dǎo)致斷齒產(chǎn)生。斷齒產(chǎn)生后,花鍵在運(yùn)行過程中穩(wěn)定性減弱,所受應(yīng)力增大,加速其它齒斷裂,從而引起大范圍斷齒產(chǎn)生,導(dǎo)致輻板輥軸花鍵失效。輻板輥軸內(nèi)部存在網(wǎng)狀分布的碳化物,降低了材料的塑性、使脆性增加,降低工件的使用壽命。綜合分析認(rèn)為,網(wǎng)狀碳化物缺陷是導(dǎo)致花鍵早期斷齒的內(nèi)因,應(yīng)當(dāng)避免。
1)輻板輥軸花鍵齒面硬度低,未按圖紙進(jìn)行滲氮處理。
2)輻板輥軸花鍵失效系花鍵齒根雙側(cè)產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致斷齒。裂紋生成原因系組織出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物缺陷,花鍵材料脆性大,不滿足服役狀態(tài)所致。此外,花鍵齒部僅齒頂淬硬,齒面及齒根接觸疲勞強(qiáng)度不足導(dǎo)致塑性變形及接觸疲勞裂紋對斷齒開裂起促進(jìn)作用。