軋機輻板輥軸花鍵斷齒失效分析

夏春龍，王旭東，潘嘉玉，王建國，李明澤

（太原重工軌道交通設備有限公司，山西 太原 030032）

某公司鍛軋生產線輻板輥軸服役一個月后，花鍵開始出現斷齒現象，受委托對其失效原因進行分析。輻板輥軸花鍵材質為55NiCrMoV7，熱處理狀態為淬火+回火。

1 試驗分析

1.1 宏觀分析

輻板輥軸花鍵齒數為42，其中斷齒約1/2。斷齒大多數為多齒連續斷裂，斷齒約占齒長1/3～1/2，斷齒形態主要為沿齒根斷裂，斷口面油污銹蝕污染嚴重，未斷齒齒根幾乎大部分輪齒都清晰可見多條縱向裂紋，齒面碾壓塑性變形特征明顯，見圖1所示。

圖1 宏觀形貌

對輻板輥軸花鍵解剖，縱向取低倍、硬度試片，橫向取高倍及電鏡試塊。

1.2 掃描電鏡形貌分析

齒面呈典型的波浪狀接觸疲勞形貌，表面劃傷嚴重。齒根附近有明顯的壓塌區域，齒根附近齒面可見多條平行裂紋，見圖2。

圖2 齒面形貌

1.3 化學成分分析

輻板輥軸的化學成分結果見表1。化學成分符合55NiCrMoV7材質成分要求。

表1 輻板輥軸成分 %

1.4 硬度分析

1.4.1 調質硬度

調質硬度結果見表2。

表2 調質硬度結果表

1.4.2 齒面硬度

齒頂處齒面硬度檢測為：HRC50.8；HRC 50.6

試驗結果表明，硬度值低于圖紙要求HRC55～60。

1.5 金相分析

1.5.1 酸浸

試片酸浸后，花鍵側有連續分布的裂紋，深度約8 mm，裂紋觀察為齒根處延伸至截面。齒面方向觀察，齒根裂紋幾乎貫穿整個齒長此外，未發現其他宏觀缺陷。

1.5.2 組織分析

高倍試樣鑲嵌后拋光狀態下觀察，齒根裂紋開口處與齒根表面約呈10°角方向起裂，且開口外寬內窄，延伸約100μm后，約呈60°角向內擴展，裂紋尖端有分叉現象，見圖3-1所示。齒根處還可見多處小角度接觸疲勞裂紋，見圖3-2所示。

試樣經4%硝酸酒精溶液浸蝕后，齒根裂紋旁組織與基體一致，為回火索氏體，晶粒度8.0級。齒頂裂紋旁組織與裂紋附近區域組織一致，均為回火馬氏體，齒頂區域為淬火組織形態，未觀察到滲氮組織特征。淬火區域僅分布在齒頂位置，齒面與齒根均未淬火。淬火區域與基體交界處明顯。花鍵基體組織為回火索氏體+沿晶網狀分布的細顆粒狀碳化物，碳化物所圍成的晶粒約4.0級，見圖3-3、3-4。非金屬夾雜物A類0.5級，D類0.5級。

圖3 花鍵裂紋及組織

1.5.3 齒頂區域硬化層及成分面掃

齒頂區域淬硬層深度約0.7 mm，硬度梯度分布見圖4所示。齒頂成分面掃未檢測到N元素，見圖5所示。

圖4 齒頂硬度梯度圖

圖5 齒頂面掃

試驗結果表明，花鍵齒部未進行滲氮處理。

2 討論

2.1 材料及熱處理

輻板輥軸花鍵化學成分符合55NiCrMoV7要求。齒面硬度低于圖紙要求。鍛件除花鍵附近裂紋外，未見宏觀缺陷。鍛件非金屬夾雜物合格，晶粒度合格。組織為回火索氏體+網狀分布的細顆粒狀碳化物，屬調質組織，但碳化物呈網狀，屬熱處理缺陷，應當避免。花鍵齒部為淬火組織，僅齒頂區域存在。未檢測到氮元素，可確定花鍵未滲氮。

2.2 服役狀況

輻板輥軸在服役過程中屬主動傳動件，電機扭矩通過花鍵聯接形式傳動到輻板輥機構中，旋轉運行時主要為單側齒面受壓。花鍵齒面劃傷及接觸疲勞裂紋均說明服役過程中存在應力大現象。斷齒雙側齒根均開裂，說明齒根受到雙向彎曲應力，這可能與制動時反向受力有關。此外，輻板輥軸在使用過程中與不同的輻板輥嚙合使用，也是輻板輥軸易于成為失效件的客觀原因。

2.3 綜合分析

輻板輥軸花鍵表面未按圖紙要求滲氮處理，僅齒頂進行淬火處理。在使用過程中表現出來的多條接觸疲勞裂紋與塑性壓塌等現象，均說明硬度方面不滿足實際服役要求。

表面接觸裂紋產生后，在齒根彎曲應力較大區域，以接觸疲勞裂紋為應力提升源，由外而內擴展開裂，開裂過程中，早期以疲勞方式擴展，后期呈過應力快速撕裂，導致斷齒產生。斷齒產生后，花鍵在運行過程中穩定性減弱，所受應力增大，加速其它齒斷裂，從而引起大范圍斷齒產生，導致輻板輥軸花鍵失效。輻板輥軸內部存在網狀分布的碳化物，降低了材料的塑性、使脆性增加，降低工件的使用壽命。綜合分析認為，網狀碳化物缺陷是導致花鍵早期斷齒的內因，應當避免。

3 結論

1）輻板輥軸花鍵齒面硬度低，未按圖紙進行滲氮處理。

2）輻板輥軸花鍵失效系花鍵齒根雙側產生裂紋導致斷齒。裂紋生成原因系組織出現網狀碳化物缺陷，花鍵材料脆性大，不滿足服役狀態所致。此外，花鍵齒部僅齒頂淬硬，齒面及齒根接觸疲勞強度不足導致塑性變形及接觸疲勞裂紋對斷齒開裂起促進作用。