分享：某重载高速齿轮箱太阳轮开裂原因
刘聪颖,晁永强,党军玲,黄文鹏,仲博颖,马宏利,龙 倩,王 涛
(重庆齿轮箱有限责任公司,重庆 402263)
摘 要:某重载高速齿轮箱太阳轮在装配时发生开裂。采用宏观观察、化学成分分析、金相检 验、扫描电镜及能谱分析等方法,分析了该太阳轮开裂的原因。结果表明:该太阳轮在加工完成后 和装配前,内部夹杂物使裂纹萌生,加工残余应力作用导致太阳轮发生了低应力脆性开裂。
关键词:太阳轮;沿晶断裂;准解理断裂;低应力脆性开裂;夹杂 中图分类号:TB31;TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)11-0076-03
某 重 载 高 速 齿 轮 箱 中 一 级 太 阳 轮 的 材 料 为 17CrNiMo6钢,该太阳轮一端为齿轮,另一端为花键 (见图1),主要制造工序为:锻造→正火→去黑皮→ 超声检测→粗车→滚齿→渗碳淬火+回火→喷丸→ 磨外圆→滚花键齿→感应淬火→磨齿→无损检测,其 中渗碳淬火工序只针对齿轮部位进行。太阳轮的其 余部位刷涂防渗涂料,随后在另一端滚花键齿,然后 对花键齿部位单独进行感应淬火,再进行整体低温回 火处理,在磨齿完成后的24h内进行无损检测。
完成上述所有工序后,在对太阳轮进行装配时,发现该太阳轮花键齿底部有一条贯穿齿宽的裂纹, 深度约为1/3半径(见图2)。笔者采用宏观观察、 化学成分分析、金相检验、扫描电镜(SEM)及能谱 分析等方法对该太阳轮的开裂原因进行分析,并提 出了预防措施,以避免该类问题再次发生。
1 理化检验
1.1 宏观观察
观察断 口 的 宏 观 形 貌,结 果 如 图 3 所 示。由 图3可知:断 口 新 鲜,无 明 显 宏 观 塑 性 变 形,较 平 齐,整个断 裂 面 较 粗 糙,人 字 纹 走 向 清 晰;裂 纹 源 位 于 花 键 齿 底 下 方 约 6 mm,离 齿 左 端 约37mm 处,裂 纹 源 长 度 约 为 3 mm,宽 度 约 为 0.8mm,呈椭圆状,从人字纹走向可以看出,裂纹 从该裂纹源向四周扩展。
1.2 化学成分分析
从开裂太阳轮基体上取样,用直读火花光谱仪 进行化学成分分析,结果如表1所示,可见该太阳轮 的化学成分满足 GB/T3077—2019 《合金结构钢》 对17CrNiMo6钢的要求
1.3 金相检验 对开裂太阳轮的花键齿进行金相检验,结果如图 4所示。由图4可知:花键齿的淬火层组织为低碳回 火马氏体,心部组织为贝氏体,心部铁素体级别为1 级,满足企业技术要求,断口表面无脱碳及污染。
在断口裂纹源附近沿轴向取样,抛光后进行观 察,发现一条宽度约为33μm,长度约为430μm 的 串链状夹杂物 (见图 5),根 据 GB/T10561—2005 《钢中非金属夹杂物含量的测定》,判断该串链状夹 杂物为宽度超尺寸夹杂。
1.4 SEM 及能谱分析
用SEM 对 断 口 进 行 观 察,结 果 如 图 6 所 示。 由图6可知:断口裂纹源区有较多聚集分布的白色 块状物质,裂纹源区的断口呈冰糖状,断裂性质为沿 晶断裂;裂纹扩展区可见河流花样的解理小刻面,小 刻面之间以撕裂棱线连接,断裂性质主要为准解理 断裂[1]。 对白色块状物质进行能谱分析,结果如图7所 示,可见白色块状物主要含有 Al,O,Si,K,Ca等元 素。
2 综合分析
由上述理 化 检 验 结 果 可 知:该 开 裂 太 阳 轮 的 化学成分和 显 微 组 织 均 满 足 标 准 要 求,但 断 口 附 近的基体有 宽 度 超 尺 寸 夹 杂 物;该 太 阳 轮 的 断 口 新鲜,裂纹源及裂纹边缘未发现有脱碳或者污染。 因此,判断裂纹形成于所有加工工序完成之后、装 配之前。 太阳轮花键齿端经渗碳淬火 表面感应淬火处理后,零件表面有 + 较 回 大 火 的 、滚 残 花 余 键 拉 齿 应 、 力[2]。一般情况下,晶界的结合力比晶内的结合力 高[3],但夹杂物不仅破坏了材料连续性,还降低了基体晶粒之间的结合能[4]。夹杂物的边界处往往呈尖 角状,有应力集中,在应力的作用下,裂纹最先在夹 杂物与基体结合能较低或者夹杂物的尖角处萌生, 并沿晶界进一步扩展,因此,裂纹源区的开裂性质主 要为沿晶断裂。进入扩展区后,基体中没有夹杂,晶 界结合力正常,裂纹开始沿晶内结合能较低的解理 面扩展,因 此,扩 展 区 的 开 裂 性 质 主 要 为 准 解 理 断裂。
3 结论与建议
该太阳轮的裂纹是在加工完成后、装配前产生 的,次表层的夹杂缺陷降低了材料的结合力,使材料 在加工残余应力作用下发生低应力脆性开裂。 建议在满足齿面硬度的前提下,尽量提高去应 力回火温度以及适当延长保温时间,或者再增加一 次去应力回火,以降低残余应力。在齿轮件径向,从 齿顶向内的两倍齿顶高范围内,缺陷的验收当量应 高于其他部位。 文章来源：材料与测试网
