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减速机齿轮轴开裂失效分析

发布时间:2020-09-17 23:36:00 点击:

    泰兴减速机专业生成厂家泰强减速机2020年9月17日讯  18CrNiMo7-6钢齿轮轴在机加工结束后,发现齿轮轴开裂。利用化学成分分析、扫描电镜观察、能谱分析等方法,对开裂原因进行分析。结果表明:齿轮轴原材料在冶炼过程中,保护渣混入钢水中;材料中脆性夹杂物破坏了材料的连续性,形成缺口和应力集中,在残余应力的作用下,齿轮轴发生延迟开裂。

     

    关键词:18CrNiMo7-6;齿轮轴;残余应力;开裂

     

    18CrNiMo7-6属于低碳低合金渗碳钢,主要应用于制造高速、重载火车的电力机车、动力车的齿轮、齿轮轴、轮毂及左右连轴器等零部件[1]。在生产与使用过程中齿轮轴容易发生开裂现象,雷旻[2]研究了 18CrNiMo7-6 齿轮轴裂纹源萌生于高速轴键槽的受力处,该处表面硬度没有达到设备制造方提供图纸要求,屈服强度低,无有效的表面强化硬化层是导致齿轮轴疲劳开裂的原因。吴佳俊[3]研究了齿轮轴裂纹位于轴部,是由于原材料中存在氧化铝类夹渣,在残余应力作用下引起的裂纹。本文从宏观形貌、成分、性能等方面进行研究分析,并根据分析总结,提出解决方案。

     

    本文研究对象齿轮轴最大直径为200mm,轴与齿部采用渗碳处理。齿轮轴工序为:电炉冶炼→LF→VD→圆坯连铸→锻造→退火→探伤→滚齿→渗碳、淬火→喷丸→精车→磨外圆、研磨中心孔→铣键槽→精磨→磨齿→磁粉探伤。齿轮轴在加工完放置过程中齿轮与键槽处发生开裂。为确定齿轮轴开裂原因,进行一系列检验与分析,避免类似事件再次发生。

     

    1  检测分析

     

    1.1 宏观分析

     

    齿轮轴断裂部位宏观照片与断口宏观照片如图1所示。裂纹从键槽一侧根部开裂,如图1(a)所示。图 1(b)为断口宏观形貌,断面上存在明显的放射状条纹,由键槽根部向外扩展,向齿顶部位延伸并发生断裂,放射状条纹的收敛区域应为裂纹源区。


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    图1  齿轮轴开裂照片

     

    1.2 成分检验

     

    按 GB/T4336 检测方法,采用直读光谱仪对试样进行成分检测,检测结果见表 1,可知齿轮轴断 裂处化学成分符合标准成分。

     

    表1   化学成分(wt,%)

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    1.3 扫描电镜观察

     

    将断口在扫描电镜下观察,如图 2 所示,可见裂纹源处为沿晶裂纹,呈冰糖状沿晶断口,局部存在二次裂纹。同时经能谱仪分析,如图3所示,断口处存在 O、Si、Ca、Al 元素,存在氧化铝、氧化钙,氧化硅类物质,表明断口处含有脆性夹杂物。


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    图2  齿轮轴断口的扫描电镜形貌

     

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    图3  能谱分析图

     

    1.4 金相分析

     

    将齿轮轴断裂处切取横向试样,抛磨后对试样进行金相检验,金相组织为回火马氏体,如图4所示,组织正常,未发现脱碳、增碳等异常现象,可判断裂纹发生在渗碳淬火之后,同时排除材料过烧。


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     图4  显微组织形貌

     

    2  分析与讨论

     

    通过以上理化检验分析,齿轮轴的化学成分符合技术条件要求。断口处的组织为回火马氏体,组织正常,未发现脱碳、增碳等异常现象。从断口的宏观形貌可以看出断面上存在明显的放射状条纹,由键槽根部向齿顶部位延伸并发生断裂,放射状条纹的收敛区域应为裂纹源区。将裂纹源处在扫描电镜下观察,裂纹源为沿晶断裂,局部呈冰糖状断口形貌,经能谱分析,此处存在氧化铝、氧化钙,氧化硅物类质,应是冶炼过程中保护渣卷入钢水中。再结合该零件的加工制造工序分析,判断该齿轮轴是在淬火、回火后开裂。在淬火、低温回火后,齿轮轴存在较大的残余应力,尤其是在构件截面突变处的局部区域内,键槽根部存在很大的残余应力,而脆性夹杂物的存在破坏了材料的连续性,残余应力在脆性夹杂物周围的不连续区集中释放,进而造成齿轮轴发生延时开裂。

     

    3   结论及建议

     

    1)该齿轮轴由于脆性夹杂物破坏了材料的连续性,在较大的残余应力下发生的延时开裂。


    2)冶炼过程需严格把控,避免保护渣等外来夹杂物进入钢水中。

     

    作者

    建龙北满特殊钢有限责任公司技术中心

    张泽春 贾俊林 赵艳荣

     

    参考文献

    [1] 莫光有.18CrNiMo7-6钢电渣重熔工艺研究

    [2] 雷旻,梁益龙,万明攀,杨伟,田琴,凌敏.减速机高速齿轮轴断裂失效分析

    [3] 吴佳峻.18CrNiMo7-6钢齿轮轴开裂失效分析