風(fēng)電增速機(jī)內(nèi)齒圈斷裂原因分析

王長(zhǎng)健 李繼昌 衛(wèi)晨鷗

(中國(guó)二重檢測(cè)中心，四川618013)

某風(fēng)電增速機(jī)內(nèi)齒圈在風(fēng)場(chǎng)使用不到兩個(gè)月即出現(xiàn)斷裂。該內(nèi)齒圈材質(zhì)為17Cr2Ni2Mo，其生產(chǎn)流程為：鍛造毛坯—粗加工—整體調(diào)質(zhì)—半精加工—表面滲碳淬火(Eht深度要求：2.8 mm～3.8 mm)—精加工及裝配。為了對(duì)內(nèi)齒圈斷裂原因進(jìn)行分析，在內(nèi)齒圈斷裂部位切取一試塊，斷裂內(nèi)齒圈外貌及分析試塊取試位置見(jiàn)圖1。

圖1 斷裂內(nèi)齒圈外貌及試塊取試位置Figure 1 Fractured inner gear ring appearance and sampling position

1 試驗(yàn)方法

對(duì)試塊上的內(nèi)齒圈斷口面進(jìn)行清洗，分析觀察內(nèi)齒圈宏觀斷口形貌。切取3塊低倍試片(編號(hào)分別為1#、2#、3#)進(jìn)行低倍酸洗檢驗(yàn)，觀察內(nèi)齒圈低倍組織形貌，并從宏觀上大致觀察齒面滲碳層深度情況，低倍取樣圖見(jiàn)圖2。在1#低倍試片切取3塊高倍試樣，分別編號(hào)為1-1、1-2、1-3，進(jìn)行齒面的表面滲碳組織分析以及采用顯微硬度計(jì)進(jìn)行有效硬化層深度測(cè)試，高倍取樣圖見(jiàn)圖3。

圖2 低倍取樣圖 Figure 2 Sampling drawing for macroscopic examination

圖3 高倍取樣圖Figure 3 Sampling drawing for microscopic examination

2 檢驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀斷口檢驗(yàn)結(jié)果

將內(nèi)齒圈斷口面用丙酮清洗干凈后觀察，該斷口為疲勞斷口，其宏觀斷口形貌見(jiàn)圖4。整個(gè)斷口主要分為3個(gè)區(qū)域：(1)疲勞源區(qū)，為線狀疲勞源，位于齒根部位；(2)疲勞擴(kuò)展區(qū)，有明顯的疲勞貝殼紋，占整個(gè)斷口面積約45%；(3)瞬斷區(qū)，斷面較擴(kuò)展區(qū)粗糙，其面積約占整個(gè)斷口面積的45%。

2.2 低倍檢驗(yàn)結(jié)果

將切取的試片進(jìn)行酸洗后檢驗(yàn)，低倍組織致密，在1#、2#、3#低倍的齒面的滲碳深度為3 mm左右，在齒根部位滲碳層深度約為1 mm左右，齒面與齒根滲碳層深度相差非常大，見(jiàn)圖5、圖6。

2.3 高倍檢驗(yàn)結(jié)果

將1-1、1-2、1-3三塊高倍試樣磨制后，在未經(jīng)腐蝕的情況下觀察，非金屬夾雜物較少，塑性?shī)A雜物0.5級(jí)，脆性?shī)A雜物1.0級(jí)，夾雜總和1.5級(jí)。疲勞源處(1-3試樣的齒根位置)有數(shù)條裂紋，裂紋細(xì)小彎曲，見(jiàn)圖7。三件高倍試樣用4%的硝酸酒精溶液腐蝕后觀察，疲勞源處的裂紋兩側(cè)均無(wú)氧化脫碳現(xiàn)象，裂紋位于滲碳層內(nèi)，見(jiàn)圖8。齒根(1-2高倍試樣)組織有粗大的針狀回火馬氏體，并且存在明顯的組織偏析，按JB/T 6141.3—1992標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，馬氏體+殘余奧氏體級(jí)別符合標(biāo)準(zhǔn)圖的6級(jí)，見(jiàn)圖9、圖10。基體組織為回火索氏體，見(jiàn)圖11。齒頂組織和齒面部位組織均為細(xì)針回火馬氏體，按JB/T 6141.3—1992標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，馬氏體+殘余奧氏體符合標(biāo)準(zhǔn)圖的2級(jí)，表面碳化物級(jí)別符合標(biāo)準(zhǔn)圖的1級(jí)，心部鐵素體級(jí)別為1級(jí)，分別見(jiàn)圖12、圖13。

2.4 有效硬化層深度測(cè)試結(jié)果

分別對(duì)1-2號(hào)高倍的齒根位置、1-1號(hào)高倍齒頂和齒面位置采用半自動(dòng)維氏硬度計(jì)做有效硬化層深度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果為齒根位置有效硬化層深度為1.6 mm，齒面位置有效硬化層深度為2.9 mm，齒頂位置有效硬化層深度為3.8 mm。

3 分析與討論

3.1 從低倍檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，內(nèi)齒圈低倍組織致密，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的冶金缺陷，這說(shuō)明內(nèi)齒圈材料的冶金質(zhì)量還是比較好的。內(nèi)齒圈斷裂與材料冶金質(zhì)量無(wú)關(guān)。

圖5 2#低倍形貌 圖6 3#低倍形貌Figure 5 2# appearance at low magnification Figure 6 3# appearance at low magnification

圖7 1-3號(hào)高倍試樣齒根處裂紋 ×100 圖8 1-3號(hào)高倍試樣斷裂源處裂紋 ×200Figure 7 Crack at tooth root of No.1-3 Figure 8 Crack at fracture source of No.1-3 microscopic specimen ×100microscopic specimen ×200

圖9 齒根組織中的組織偏析 ×100圖10 齒根組織 ×500

Figure 9 Segregation of tooth root structure ×100 Figure 10 Tooth root structure ×500

圖11 基體組織 ×500 圖12 齒頂組織 ×500Figure 11 Matrix structure ×500Figure 12 Tooth top structure ×500

3.2 從高倍檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在斷裂源區(qū)齒根部位的裂紋未發(fā)現(xiàn)氧化和脫碳現(xiàn)象，這證明內(nèi)齒圈齒根處裂紋的產(chǎn)生與熱處理無(wú)關(guān)。

3.3 通過(guò)低倍檢驗(yàn)結(jié)果和硬度檢驗(yàn)結(jié)果可知，該內(nèi)齒圈齒根處有效滲碳深度只有1.6 mm左右，遠(yuǎn)小于齒面和齒頂處的滲碳層深度和標(biāo)準(zhǔn)要求(Eht要求最低為2.8 mm)，這必然導(dǎo)致齒根處的疲勞強(qiáng)度降低。從高倍檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，齒根處組織為過(guò)熱的粗大馬氏體組織，且組織不均勻，從而導(dǎo)致齒根部位脆性變大。上述事實(shí)說(shuō)明，內(nèi)齒圈齒根部位疲勞強(qiáng)度低、脆性大，在使用過(guò)程中極易在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞裂紋斷口上疲勞源處存在數(shù)條裂紋也印證了這一點(diǎn)，也就是說(shuō)，導(dǎo)致內(nèi)齒圈疲勞斷裂的原因?yàn)閮?nèi)齒圈齒根部位有效硬化層深度過(guò)低及組織中存在粗大的回火馬氏體組織。

圖13 齒面組織 ×500Figure 13 Tooth surface structure ×500

4 結(jié)論

內(nèi)齒圈斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，其產(chǎn)生原因是齒根部位的有效硬化層深度過(guò)低以及存在粗大回火馬氏體組織。