高壓斷路器是電力系統的重要組成部分,其主要作用是開斷、關合線路的正常電流和故障電流,以確保電力系統的安全穩定運行。齒輪軸作為其中主要的傳動件,一旦失效將導致斷路器開合異常。某高壓斷路器在進行300次開合試驗后動作異常,解體后發現一級齒輪軸與齒輪啃合處的齒牙全部斷裂。該齒輪軸材料為20CrMnMo鋼,其加工工藝為：鍛造→正火→粗加工→滲碳→淬火→低溫回火→精加工。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了齒輪軸斷齒的原因,以防止該類故障再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

斷齒齒輪軸宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：齒輪軸與齒輪啃合處齒牙全部沿齒根斷裂,斷口附近未發現明顯塑性變形和剪切唇；斷齒受力面上存在輕微的摩擦痕跡,該部位磨損量較小,為正常工作時產生的磨痕,且斷裂齒根處未發現摩擦痕跡,說明磨痕不是齒輪軸斷齒的原因。 

圖  1  斷齒齒輪軸宏觀形貌

斷口宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：斷口呈結晶狀,具有淺灰色金屬光澤；斷口上可看到裂紋擴展棱線,根據棱線收斂方向可看出斷口受力面上存在多處裂紋源,裂紋從受力面齒根處向非受力面方向擴展,呈多源脆性斷裂特征。 

圖  2  斷口宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在齒輪軸基體上取樣,采用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：試樣的化學成分符合GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》對20CrMnMo鋼的要求。 

1.3   硬度及滲碳層深度測試

依據GB/T 9450—2005 《鋼件滲碳淬火硬化層深度測定校準》對齒輪軸有效硬化層深度進行測試,由于齒輪軸的齒牙上已完全滲碳,因此從其齒根圓處測試,結果如圖3所示。該齒輪軸的圖紙要求滲碳層深度為0.8~1.2 mm,實際有效硬化層深度約為1.16 mm,接近圖紙要求的上限。 

圖  3  有效硬化層深度測試結果

滲碳層硬度梯度曲線如圖4所示。由圖4可知：從表面至心部滲碳層硬度先升高后降低,齒輪軸滲碳層硬度要求為50~60 HRC,實測滲碳層表面硬度為56~58 HRC,次表面硬度為62~63 HRC,次表面滲碳層硬度高于設計要求；基體硬度要求為30~40 HRC,實測硬度為34~36 HRC,基體硬度符合設計要求。 

圖  4  滲碳層硬度梯度曲線

1.4   金相檢驗

在齒輪軸斷齒附近截取金相試樣,采用光學顯微鏡對齒角、齒面、齒根和基體等部位進行觀察,結果如圖5所示。由圖5可知：齒角組織為大塊狀及粗網狀碳化物+粗針狀馬氏體+較多殘余奧氏體；齒面和齒根處組織為網狀碳化物+粗針狀馬氏體+較多殘余奧氏體,且齒根處存在少量塊狀碳化物；基體組織為粗大低碳馬氏體+少量貝氏體；參照GB/T 25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》,碳化物評定為6級,馬氏體及殘余奧氏體評定為6級,屬于過熱組織,且滲碳層上碳元素質量分數偏高[1]。 

圖  5  齒輪軸的顯微組織形貌

1.5   掃描電鏡（SEM）及能譜分析

采用掃描電鏡觀察斷口的微觀形貌,結果如圖6所示。由圖6可知：斷口呈冰糖狀沿晶開裂形貌,且晶粒粗大；裂紋從受力面沿晶界向非受力面擴展,裂紋源區及裂紋擴展區均存在沿晶二次裂紋,且裂紋源處存在塊狀物。 

圖  6  斷口SEM形貌

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

采用能譜儀對裂紋源處的塊狀物和晶面進行能譜分析,分析位置如圖6（b）所示,分析結果如圖7所示。由圖7可知：塊狀物中主要含有鐵元素和碳元素,其中碳元素質量分數約為10%,而晶粒表面幾乎未檢測到碳元素,結合金相檢驗結果,可判斷裂紋源處塊狀物為碳化物。 

圖  7  塊狀物及晶面處能譜分析結果

2.   綜合分析

由以上檢驗結果可知,齒輪軸表面碳元素含量偏高,且晶粒粗大,但滲碳層深度符合設計要求,說明齒輪軸的滲碳過程提高了碳勢及滲碳溫度,且縮短了滲碳時間[2]。 

滲碳時溫度及碳勢偏高使奧氏體晶粒粗大、奧氏體中合金元素增多,合金元素使奧氏體的穩定性變大,經淬火回火后,滲碳層表面會出現粗針馬氏體及大量殘余奧氏體。同時,滲碳層表面碳元素含量偏高,導致其臨界溫度升高,淬火時易使碳化物呈塊狀及網狀析出,尖角效應使該現象在齒角處更為明顯[3]。

滲碳層整體硬度偏高,但滲碳層表面的大量殘余奧氏體使表面硬度有所降低[4],這使得滲碳層硬度由表面至心部呈先升高后降低的趨勢,因此出現了滲碳層表面硬度合格而次表面硬度偏高的現象。 

齒輪軸晶粒粗大,且組織中存在粗針狀馬氏體、大塊狀碳化物及網狀碳化物等脆性相,使得材料脆性增大、強度降低。齒根處為應力集中部位[5],該處的塊狀碳化物破壞了材料表面的連續性,使應力集中的情況加劇,網狀碳化物的存在使裂紋容易沿晶擴展。在應力作用下,齒根碳化物處首先產生顯微裂紋,裂紋沿奧氏體晶界擴展,最終導致齒輪軸發生多源脆性斷裂。 

3.   結論及建議

齒輪軸在生產的過程中碳勢及滲碳溫度偏高,縮短了滲碳時間,使材料晶粒粗大,且產生了粗針狀馬氏體、大塊狀碳化物及網狀碳化物等脆性相,在應力作用下,齒根碳化物處首先產生顯微裂紋,裂紋沿奧氏體晶界擴展,最終導致齒輪軸發生多源脆性斷裂。 

在生產過程中,對于形狀復雜的零部件,建議嚴格按照熱處理工藝參數進行生產作業。在檢驗過程中,采用常規的滲碳層深度及表面硬度測試方法不易發現該類零件的缺陷,建議在采用金相檢驗法檢測滲碳層深度時,仔細觀察滲碳層表面,特別是觀察尖角部位是否存在組織缺陷。

文章來源——材料與測試網