摘 要:采用化學成分分析、斷口分析、金相檢驗、硬度測試等方法對某起重機用齒輪軸斷齒原 因進行分析。結果表明:該齒輪軸滲碳層存在脫碳現象,以及心部組織強度偏低是導致齒輪軸斷 裂的主要原因;金相檢驗方法在測量滲碳層厚度方面存在局限性。
關鍵詞:齒輪軸;滲碳層;脫碳;斷齒;厚度測量
中圖分類號:TG115.5 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)04-0012-03
某起重機用齒輪軸在使用約10個月后發生了斷 齒,導致設備損壞,造成了比較嚴重的安全事故。該 齒輪軸圖紙中的技術要求為:材料為20CrMnTi鋼; 花鍵部分(防滲)淬火硬度為40~48HRC;滲碳層厚 度為0.8~1.2mm;齒面硬度為58~62HRC,心部硬 度為30~45HRC。筆者采用一系列理化檢驗方法對 該齒輪軸斷齒原因進行了分析。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
斷齒后的齒輪軸宏觀形貌如圖1所示,由圖1 可知,整個齒輪軸齒面共有6個齒發生斷裂,中間 4個齒相鄰,除1個齒保留上半部分齒形外,其他 斷裂齒均為整個齒斷裂掉落。齒輪軸的起裂處宏 觀形貌如圖2所示,由圖2可知,斷裂齒均是從左 向右斷裂,與齒輪的轉動受力方向一致,斷裂起始于齒根部分。從斷裂形貌上看,裂紋源有向外發 射性的條紋[1],斷口上的白亮條紋是斷裂后擠壓 磨損的痕跡。
1.2 斷口分析
采用掃描電鏡(SEM)對斷口進行分析,斷口裂紋 源處的SEM形貌如圖3所示,由圖3可知:裂紋源附 近SEM形貌較平滑,這是因為斷口有大量被擠壓的痕跡,尤其在裂紋源附近,但從裂紋源凹陷處可以看 出有明顯沿晶斷裂的特征,在斷口中間的擴展區為解 理斷裂,無疲勞輝紋等痕跡,屬于脆性斷裂(見圖4)。
1.3 化學成分分析
依據標準GB/T3077—2015《合金結構鋼》,采 用真空直讀光譜儀對齒輪軸材料進行化學成分分 析,結果符合標準要求(見表1)。
1.4 硬度測試 在斷齒處截取試樣,并對其進行硬度測試。從 齒頂測得齒面硬度為52~54HRC,從齒輪齒面中 心線 與 齒 根 圓 相 交 處 測 得 心 部 硬 度 為 27~ 32HRC,均比技術要求的硬度低。
1.5 金相檢驗
通過金相檢驗測得斷口處滲碳層厚度約為 1.02mm(見 圖 5),滿 足 技 術 要 求。按 照 GB/T 25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》對滲碳 層進行評級,可得滲碳層馬氏體級別為4級,殘余奧 氏體級別為4級,經過腐蝕后試樣碳化物級別為 3級。按照JB/T6141.3—1992《重載齒輪 滲碳金 相檢驗》判斷(馬氏體、殘余奧氏體、心部組織不大于 4級,碳化物不大于3級),滲碳層組織滿足要求。 心部組織評級主要依據的是低碳馬氏體與塊狀鐵素 體的形態與分布,允許有貝氏體,觀測位置為齒寬中 心線與齒根圓相交處,發現心部組織主要為粒狀貝 氏體+少量索氏體+塊狀鐵素體(見圖6),未觀測 到低碳馬氏體,無法評級。同時,在齒根斷裂處發現 滲碳層有脫碳痕跡,有大量塊狀鐵素體+珠光體(見 圖7)。由多個斷齒的金相檢驗結果可知,部分斷齒 同樣存在脫碳現象。
1.6 滲碳層厚度測量(顯微硬度法)
采用顯微硬度法對滲碳層厚度進行測量,其心 部硬度為550HV 處到表面的距離為滲碳層的厚 度。經過 測 量 非 脫 碳 區 域 發 現,滲 碳 層 厚 度 為 0.56mm(見圖8),不滿足技術要求,比金相檢驗測得的滲碳層厚度低近50%,這說明金相檢驗法測量 滲碳層厚度存在局限性。對圖7中的脫碳層進行硬 度測試,發現硬度較低,并且相鄰區域的硬度同樣低 于550HV(見圖9)。
2 綜合分析 齒輪軸斷裂的主要原因為:① 齒輪軸材料的有 效滲碳層厚度不足,而齒根區域滲碳層出現脫碳層, 這會極大降低表面強度,齒輪軸是強受力部件,齒根又屬于 應 力 集 中 部 位,齒 輪 強 度 由 齒 根 強 度 決 定[2-3],因此齒根強度不足容易使其開裂;② 馬氏體 有著較高的強度和抗壓性能,但在齒輪心部未發現 馬氏體,硬度不滿足技術要求,而且該位置與齒根平 行,當齒根發生開裂時,心部無法支撐齒輪,導致其 最終斷裂。
3 結論與建議
(1)齒輪軸齒根附近出現脫碳層和心部組織強 度編低是齒輪軸斷齒的主要原因。
(2)應采用顯微硬度法測量滲碳層厚度,因為 當熱處理工藝控制不當時,實際有效滲碳層厚度與 金相檢驗結果不一致。
(3)滲碳層出現脫碳通常與設備故障有關,如 出現漏氣或漏水現象等;齒輪心部的顯微組織主 要為貝氏體,有效滲碳層厚度偏低說明冷卻速率 不符合要求。建議廠家嚴格控制熱處理工藝參 數,保證產品質量。
參考文獻:
[1] 鐘群鵬,趙子華.斷口學[M].北京:高等教育出版社, 2006.
[2] 郭志德,郡爾玉,龐均.機械產品失效分析從書[M]. 北京:機械工業出版社,1992.
[3] 朱智陽,董慶慶.減速箱齒輪軸斷齒失效分析[J].理 化檢驗(物理分冊),2011,47(3):175-177.