重載電力機車牽引主動齒輪裂紋分析

北京南口軌道交通機械有限責任公司 （102202） 陳更強 王盼盼 李廣慶 李 忙

某重載電力機車牽引主動齒輪，機務段大修拆卸后，經熒光磁粉無損檢測，發現大凸臺表面有細小軸向裂紋，位于兩個分別寬約3mm、5mm的周向帶上（見圖1）。主動齒輪輪齒部分完好，嚙合正常，而大凸臺表面白亮帶上有明顯的周向摩擦的痕跡（見圖2）。從大凸臺端面起第二個密封槽左側兩個寬約3mm、5mm的周向白亮帶對應圖1中的兩個裂紋帶。靠近大凸臺端面的一個白亮帶上有很少的零星裂紋分布。

圖1

圖2

大凸臺及輪齒內孔與牽引電動機軸過盈配合，大凸臺外圓表面與鋁合金密封裝置形成迷宮非接觸式密封。該齒輪材質為18CrNiMo7-6，加工工藝為：圓鋼下料→鍛造→正火→高溫回火→車加工→滾齒→滲碳→一次淬火→高溫回火→二次淬火→低溫回火→噴丸→磨加工。

1.檢驗

用直讀光譜測定其化學成分，結果見表1，符合技術要求。

非金屬夾雜物按GB/T 10561－2005標準的A法評定，結果見表2，符合材料技術要求。

表1 18CrNiMo7-6化學成分（質量分數） （%）

表2

顯微組織分析：沿軸向取樣，穿過圖2中兩條密封槽、白亮帶和暗黃色帶，檢驗發現從大凸臺端面起第二個密封槽左側兩個寬約3mm、5mm的周向白亮帶上，表面存在較嚴重的淬回火燒傷或回火燒傷，尤以5mm寬的周向白亮帶燒傷最為嚴重（見圖3、圖4）。其余白亮帶上表面存在相對較輕的回火燒傷（見圖5、圖6），而暗黃色帶上表面未見明顯燒傷（見圖7）。

圖3 5mm寬的周向白亮帶表面淬回火燒傷組織

圖4 3mm寬的周向白亮帶表面淬回火燒傷組織

圖5 從大凸臺端面數第一條白亮帶表面回火燒傷組織（有零星裂紋）

圖6 從大凸臺端面數第二條白亮帶表面回火燒傷組織（無裂紋）

圖7 暗黃帶表面組織

在5mm寬的周向白亮帶上垂直于裂紋取周向試樣，發現大凸臺表面裂紋數條，深度在0.06～0.10mm（見圖8）。裂紋所在區域存在深度0.02～0.04mm的明顯回火燒傷現象（見圖9、圖10）。此外還發現，裂紋區內凸臺最表面附著存在一層灰暗色物質，疑為氧化物（見圖11、圖12）。

圖8 5mm寬的周向白亮帶上表面裂紋

圖9 5mm寬的周向白亮帶上表面回火燒傷組織

圖10 5mm寬的周向白亮帶上表面回火燒傷組織

圖11 裂紋區凸臺最表面氧化物

對圖12中裂紋附近區域進行硬度梯度檢測，結果見圖13。可見表面回火燒傷區硬度為55.5HRC，比0.1mm處的58.5HRC相比下降了3HRC，產生了明顯的回火燒傷軟化。

圖12 裂紋區凸臺最表面氧化物

對軸向取試樣的密封槽，也是代表凸臺表面原始滲碳淬火組織的區域，進行金相硬度檢測，評級標準為TB/T 2254－1991和GB/T 3480.5，結果見表3?？梢姡瑹崽幚頋B碳淬火質量符合產品技術要求。

圖13 5mm寬的周向白亮帶上硬度梯度

表3

2.分析

該主動輪大凸臺周向白亮帶上均存在不同程度的回火燒傷，尤以裂紋所在的圖2中大凸臺端面起第二個密封槽左側兩個寬約3mm、5mm的周向白亮帶燒傷最為嚴重，從圖2可見，大凸臺白亮帶表面有明顯的周向摩擦痕跡，因此這種燒傷是摩擦熱所致。

從周向試樣檢驗中，發現裂紋區內大凸臺最表面附著存在一層疑為氧化物的灰暗色物質，由于此區域出廠狀態為磨削加工，不可能存有氧化物，且滲碳淬火后的氧化物形態與裂紋區內凸臺最表面存在這一層氧化物完全不同，反映原始組織的密封槽內滲碳淬火后表面內氧化見圖14。故認為裂紋區內大凸臺最表面存在這一層氧化物，是齒輪在使用過程中，大凸臺表面受到強烈摩擦熱的作用，產生高溫，在使表面產生淬回火燒傷的同時，由于密封材料是鋁合金，硬度和熔點較低，密封材料接觸表面發生融化和轉移，熔敷在大凸臺表面。同時，在高溫下發生氧化，形成圖11、圖12所示的灰暗色物質層。

對圖12中大凸臺表面5mm白亮帶上附著的灰暗物質在掃描電鏡下配合EDS分析化學成分，檢測部位見圖15a、圖16a，檢測結果見圖15b、圖16b和表4、表5?；野滴镔|的主要成分按質量分數依次為Al、O、Fe 、Si、Mg，其中，鋁、氧元素重量百分含量：位置1（遠離裂紋）為69.95%，20.68%；位置2（裂紋附近）為65.97%，30.23%。由此證實：大凸臺表面5mm白亮帶上附著的灰暗物質，主要成分為鋁氧化物，系鋁合金密封材料在與大凸臺表面之間強烈的摩擦熱作用下產生高溫，發生熔化、附著和氧化的結果。并且，在裂紋附近氧含量更高，氧化現象更嚴重，表明該處溫度也更高。

熔敷氧化物在繼續摩擦作用下，大部分發生脫落，只有小部分保留下來，因此該區域總體顏色顯示為白亮。而暗黃帶上無燒傷組織，表明該處溫度相對較低，對該處表面產生低溫回火及輕微氧化，表面形成氧化膜，從而使表面著暗黃氧化色，該處溫度升高的原因來自白亮帶的熱傳導。

主動齒輪大凸臺與牽引電動機密封裝置配裝，大凸臺表面與密封裝置之間存在較大間隙。正常工作時，大凸臺表面與密封裝置之間不發生接觸。大凸臺外徑的測量結果為165.95mm，符合技術要

圖14 密封槽內表面內氧化

圖15

圖16

表4 位置1灰暗物質內各元素含量

表5 位置2灰暗物質內各元素含量

上述檢驗結果表明，大凸臺（也就是電動機軸）工作發生了大的徑向竄動，使大凸臺表面與密封裝置發生了接觸和摩擦，此時應是電動機軸承發生了故障。

由于大凸臺表面與密封裝置發生了接觸和強烈的摩擦，使溫度升高，在表面產生淬回火燒傷的同時，密封材料發生融化和轉移，大凸臺表面產生了附著氧化物。在熱應力、組織應力和摩擦力的綜合作用下，形成了表面裂紋。

3.結語

該主動齒輪出廠時所有指標均合格。大凸臺表面裂紋系電動機軸承故障，導致大凸臺表面與密封裝置發生了接觸和強烈的摩擦，表面產生了淬回火燒傷。在摩擦力、熱應力和組織應力的綜合作用下，產生表面裂紋。

（20130801）