鐵路牽引電力機車從動輪齒圈斷裂分析

穆科宇

中車蘭州機車有限公司 甘肅蘭州 730050

1 序言

從動輪齒圈在機車運行的過程中，除主要承受彎曲應力外，還承受轉向制動沖擊載荷，因此要求齒圈具有較高的強度、剛度以及良好的耐疲勞性能。我公司檢修的某型電力機車運行時間不長，發生牽引電動機從動輪齒圈斷裂，因此，該齒圈屬于早期斷裂失效，斷裂的齒圈如圖1所示。齒圈設計材質為42CrMo，該材質在生產過程中容易帶入有害元素和非金屬夾雜物，影響產品質量[1]。從動輪齒圈的加工工藝為：毛坯鍛造→粗加工→調質→半精加工→表面淬火→精加工，齒圈表面粗糙度和調質狀態都會影響齒圈質量[2]。

圖1 出現斷裂的從動輪齒圈

根據齒圈的技術要求，齒圈硬化層硬度：52～58HRC，齒頂的硬化層深度1～3mm，齒面硬化層深度2～4mm，過盈配合0.8～0.9mm[3]。

2 宏觀及斷口檢驗

斷裂齒圈的斷口如圖2所示。斷口整體較為平整，未見明顯的宏觀塑性變形，斷口上有明顯的貝紋線，因此可以判定該齒圈的斷裂屬于疲勞斷裂。

圖2 齒圈斷口

表1 從動輪齒圈未淬硬部分化學成分（質量分數） （%）

3 理化檢驗

3.1 化學成分分析

該齒圈材質為42CrMo，從齒圈未淬硬的部分中心鉆取試樣，進行化學成分分析，結果見表1。分析結果表明，齒圈材質的化學成分符合GB 3077—1999《合金結構鋼》標準中對42CrMo的要求。

3.2 金相檢驗

從斷口附近的另一個齒處，用線切割機切取金相試樣，（要求保留斷口），按照GB 10561—2005進行夾雜物的檢驗，結果為：A0.5，B0.5，C0.5，D1，DS1.5，夾雜物雖然沒有超過一般的規定，但是有較大塊夾雜物存在，對疲勞性能有一定的影響，如圖3所示。

圖3 金相組織（100×）

經硝酸酒精溶液浸蝕后，齒的硬化層的整體形貌如圖4所示。由圖4可見，齒面的硬化層較完整，齒頂的硬化層有薄的地方，齒根部的硬化層很薄，宏觀上幾乎看不到，根據TB/T 2989—2000《機車車輛用齒輪供貨技術條件》中6.7.4.1條規定，要求齒根部應有硬化層，因此這樣的硬化層是不符合要求的。

圖4 硬化層的整體形貌

硬化層的金相組織按照JB/T 9204—2008 《鋼件感應淬火金相檢驗》進行檢驗，評為7級，屬于合格級別，無脫碳，如圖5所示。

齒圈心部組織為索氏體，但是整體有不均勻現象，如圖6所示。

圖5 硬化層金相組織（400×）

圖6 金相組織（400×）

硬化層深度測定，在100倍顯微鏡下檢測，硬化層深度符合要求，硬化層在齒面附近符合技術要求，而在齒頂部，有低于技術要求的地方，但是，這個情況對齒根部疲勞強度幾乎沒有影響。

3.3 硬度檢測

按照GB/T 230—1991對硬化層進行硬度檢測，結果為：齒頂中部硬度4次測量結果為34H R C、52HRC、39HRC、30HRC，齒頂邊緣的硬度2次測量結果為53HRC、46.5HRC，齒頂中部的硬度有低于要求的，且不均勻，可能與齒頂的硬化層不均有關，這個情況與齒圈的斷裂沒有直接關系，但是齒表面硬度存在的差異則說明硬化層有可能存在問題。因此可以做出這樣的推論，齒根部即使有極薄的硬化層，其硬度也可能存在問題，但是由于沒有直接測定齒根部的硬度，這個結果僅作為參考。

3.4 齒根部宏觀檢測

因為齒根部是齒圈工作中承受彎曲應力最大的部位，技術要求中對該部位的表面粗糙度有要求，因此我們對該處進行了宏觀檢驗，齒根部表面的情況如圖7所示，可見有十分明顯的加工痕跡，經解剖后，在100倍顯微鏡下觀察，表面金相組織如圖8所示。

圖7 齒根部加工痕跡

圖8 表面金相組織（100×）

4 分析討論

從齒圈斷裂的斷口可以明顯地看出，該齒圈的斷裂屬于典型的疲勞斷裂，從裂紋源的位置及斷口的情況可以看出，齒圈工作時基本沒有偏磨現象，并且工作應力不大；理化檢驗結果表明，化學成分、硬化層組織、基體組織等項目合格，但是齒根部的硬化層很薄，宏觀下幾乎看不到，這與標準要求不符，表面有明顯的加工痕跡，夾雜物檢驗中，有大塊的夾雜物存在，硬度不均勻，且有多個測量值低于技術要求，這些都影響齒圈的疲勞性能。

齒圈制造時，考慮到表面的剝離和掉塊及磨損等問題，對齒面有較嚴格的要求，但是，由于齒圈的斷裂在運行中，齒根部位受到最大的彎曲應力，因而齒圈的斷裂大都是從根部斷裂的，因此對齒根部也有較為明確的要求，資料顯示，齒圈的斷裂都和根部質量不良有關[4]。齒根部感應淬火，就是為了提高疲勞強度，并且在齒根部表面形成壓應力，從而最大限度地提高疲勞抗力，夾雜物含量高，或有大塊夾雜物存在，會降低疲勞性能，表面硬化層薄則降低了疲勞性能和表面的殘余壓應力，表面的加工痕跡，不僅加大了應力集中，而且本身往往就成為裂紋源[5]。這些因素都是疲勞斷裂形成的重要因素。

5 結論與建議

通過以上的分析，我們認為，電力機車齒圈斷裂的主要原因有以下2點：

1）齒圈表面有明顯的加工痕跡，該加工痕跡造成應力集中及疲勞性能的降低。

2）齒根部硬化層太薄。另外，齒圈中含有較大塊的夾雜物及齒圈心部組織不均勻，對疲勞性能也有一定影響，表面硬度低及硬度值不均對疲勞性能也有影響。

建議嚴格執行齒圈熱處理工藝規范，防止齒根表面硬化層很薄，防止齒圈心部硬度偏低及硬度不均勻等現象發生；減小齒根部的表面粗糙度值有助于抑制疲勞裂紋源的產生；應該在齒圈制造過程中嚴格按照標準要求鍛造，或進行擴散退火，充分消除組織不均勻造成的應力集中。