某船用齒輪箱在運(yùn)行時(shí)發(fā)生中斷,停機(jī)拆解后發(fā)現(xiàn)齒輪中齒軸斷齒,其材料為18CrNiMo7－6,主要生產(chǎn)工藝為：鍛造→滾齒→熱處理→磨齒→酸洗,其滲碳處理要求參照ISO 6336－5：2016 《正齒輪和斜齒輪載荷能力的計(jì)算 第5部分：材料的強(qiáng)度和質(zhì)量》MQ級(jí)。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、掃描電鏡(SEM)和能譜分析、硬度測(cè)試和金相檢驗(yàn)等方法分析了齒輪斷齒的原因,以防止該類問(wèn)題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

中齒軸宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：該中齒軸有1條斷齒,其他部位的齒均無(wú)開(kāi)裂或嚴(yán)重磨損等現(xiàn)象。 

圖  1  中齒軸宏觀形貌

截取中齒軸的斷齒部位,斷口宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)疲勞貝殼紋,收斂方向指向裂紋源區(qū)。裂紋擴(kuò)展方向如圖2中箭頭所示。 

圖  2  斷口宏觀形貌

中齒軸斷裂部位齒面宏觀形貌如圖3所示。根據(jù)裂紋源位置以及分叉法原理可以繪制出整個(gè)斷齒的裂紋擴(kuò)展方向,如圖3中黃色箭頭所示。中齒軸斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂,裂紋起源于齒部位次表面。 

圖  3  中齒軸斷裂部位齒面宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

在中齒軸上截取試樣,并對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：中齒軸的化學(xué)成分符合EN 10084—2008 《滲碳鋼－交貨技術(shù)條件》對(duì)18CrNiMo7－6鋼的要求。 

1.3   SEM和能譜分析

將斷口試樣用超聲波清洗,再將其置于掃描電子顯微鏡下觀察,裂紋源區(qū)SEM形貌如圖4所示。由圖4可知：裂紋源區(qū)呈軸向分布的條狀形態(tài),長(zhǎng)度約為1 mm；該條狀形態(tài)區(qū)域內(nèi)可見(jiàn)異物。 

圖  4  裂紋源區(qū)SEM形貌

采用能譜儀對(duì)異物進(jìn)行分析,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：基體中的異物主要為Al2O3夾渣。 

圖  5  裂紋源區(qū)異物的能譜分析結(jié)果

疲勞擴(kuò)展區(qū)SEM形貌如圖6所示。由圖6可知：擴(kuò)展區(qū)存在疲勞輝紋及大致平行的二次裂紋,符合疲勞斷裂的微觀形貌特征。 

圖  6  疲勞擴(kuò)展區(qū)SEM形貌

1.4   滲碳層深度測(cè)定

垂直于齒面的剖面截取試樣,將試樣鑲嵌、磨拋后,置于顯微硬度計(jì)上進(jìn)行測(cè)試,采用9.807 N對(duì)齒面淬硬層硬度進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果如表2所示。根據(jù)ISO 6336－5：2016,試樣齒面淬硬層深度為2.26 mm。表面硬度及滲碳層深度均符合ISO 6336－5：2016標(biāo)準(zhǔn)要求。 

1.5   金相檢驗(yàn)

用化學(xué)試劑腐蝕試樣,再將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖7,8所示。由圖7,8可知：試樣斷口處表面顯微組織為細(xì)針狀馬氏體＋殘余奧氏體＋彌散點(diǎn)粒狀分布的碳化物(見(jiàn)圖7)；心部顯微組織為低碳馬氏體＋貝氏體(見(jiàn)圖8)。 

圖  7  斷口處表面顯微組織形貌

圖  8  斷口處心部顯微組織形貌

2.   綜合分析

齒軸的化學(xué)成分符合EN 10084—2008對(duì)18CrNiMo7－6鋼的要求,其滲碳層符合ISO 6336－5：2016標(biāo)準(zhǔn)中MQ級(jí)的技術(shù)要求。表面顯微組織為細(xì)針狀馬氏體＋殘余奧氏體＋彌散點(diǎn)粒狀分布的碳化物；心部顯微組織為低碳馬氏體＋貝氏體,顯微組織符合熱處理工藝及ISO6336－5：2016標(biāo)準(zhǔn)要求,無(wú)異常。 

由斷口的宏觀形貌可知,中齒軸斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂,裂紋起源于次表面。由斷口的SEM及能譜分析結(jié)果可知,裂紋源處存在Al2O3夾渣。在中齒軸實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,齒次表面分布的Al2O3夾渣破壞了材料的連續(xù)性[1],因此在交變載荷的作用下,夾渣缺陷處裂紋發(fā)生疲勞擴(kuò)展,最終導(dǎo)致中齒軸斷齒。 

3.   結(jié)論

中齒軸的化學(xué)成分、滲碳層硬度和心部組織均符合相關(guān)技術(shù)要求。裂紋源區(qū)的基體中存在異物,異物主要為Al2O3夾渣,夾渣分布在中齒軸的次表面,在中齒軸工作時(shí)的交變應(yīng)力作用下,材料萌生微裂紋,微裂紋疲勞擴(kuò)展,最終導(dǎo)致中齒軸疲勞斷裂。

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