減速齒輪箱二級蝸桿軸失效研究

周鵬

遼寧紅沿河核電有限公司 遼寧大連 116319

1 序言

鼓網減速齒輪箱通過低速電動機、中高速電動機帶動減速機一級齒輪箱運轉，傳動至減速機二級齒輪箱，再由二級齒輪箱帶動鼓網驅動軸，進而帶動鼓網運轉。某電廠鼓網齒輪箱在運行過程中，齒輪箱二級減速器蝸桿軸發生斷裂。本文對斷裂試樣進行了成分、微觀組織和硬度檢測，并結合運行工況對其進行了失效分析。

2 宏觀觀察

圖1所示為斷口的宏觀形貌，蝸桿軸斷裂于中高速電動機側鍵槽位置，斷面較為平整，除鍵槽對側有較小區域的輕微變形外，斷口整體無明顯塑性變形，為脆性斷口。

圖1 斷口宏觀形貌

3 理化檢驗

3.1 化學成分分析

對斷裂的蝸桿軸部取樣進行化學成分分析，檢測標準為GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法（常規法）》[1]，主要成分見表1。

從表1可看出，試樣CF1和CF2主要成分相當于GB/T 5216—2014《保證淬透性結構鋼》中的16MnCrS5鋼[2]。

表1 斷裂的蝸桿軸化學成分（質量分數） （%）

3.2 金相檢驗

對蝸桿軸的斷口橫截面取樣進行金相檢驗，結果如圖2所示。同時對縱截面取樣進行非金屬夾雜物檢驗，結果如圖3所示。

圖2 斷口附近橫截面金相組織

圖3 斷口附近縱截面非金屬夾雜形貌

金相檢驗結果表明，軸部位各取樣位置表層和基體的顯微組織均為貝氏體+鐵素體，鐵素體呈網狀分布，為非調質態組織，且表面無滲碳淬火強化組織。

非金屬夾雜物檢驗結果表明，斷口附近及斷口遠端未開裂側鍵槽處縱截面取樣的非金屬夾雜物均為A類粗系3級（A3e），參考GB/T 5216—2014，非金屬夾雜物等級已超出標準規定的上限值（A2.5e）[2]。

3.3 硬度測試

依據GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》[3]對斷口附近橫截面（取樣編號：J1）表層及心部進行維氏硬度測試，依據GB/T 230.1—2009《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》[4]對樣品心部進行洛氏硬度測試，結果見表2、表3。

表2 維氏硬度試驗結果 （HV10）

表3 洛氏硬度試驗結果 （HRC）

硬度測試結果表明，取樣位置表層和心部的硬度值分布較為均勻，未見明顯差異，硬度值和顯微組織相吻合，表明試樣未經淬火或調質熱處理。同時，參考JB/T 7935—2015《圓弧圓柱蝸桿減速器》[5]中對16M n C r S5鋼蝸輪軸的要求（心部最小硬度30HRC），蝸桿軸硬度值低于標準要求。

3.4 斷口微觀分析

對送檢蝸桿軸斷裂位置的斷口形貌進行掃描電鏡微觀觀察，掃描電鏡微觀形貌如圖4所示。

由圖4可知，鍵槽側的斷口1區、2區為裂紋源區，可見臺階狀特征；斷口3區、4區為擴展區，可見疲勞條帶特征；斷口5區為終斷區，有塑性變形特征，微觀上可見韌窩形貌。由此表明，蝸桿軸斷口為典型的疲勞斷裂，是脆性斷裂的一種，驗證了斷口宏觀檢查的結論。

圖4 斷口微觀形貌

4 失效分析

宏觀檢查結果表明，蝸桿軸斷裂面為脆性斷裂斷口。

理化檢驗結果表明，蝸桿軸化學成分為16MnCrS5鋼。

蝸桿軸的顯微組織為貝氏體+鐵素體，鐵素體呈網狀分布，為非調質態組織，硬度結果顯示表層組織與心部組織硬度較為均勻，無明顯差異。斷口微觀分析表明，蝸桿軸斷口為典型的疲勞斷裂斷口，為脆性斷裂。

經對運行現場調查，減速齒輪箱現場服役工況為蝸桿軸長期處于振動超標狀態，振動是引起蝸桿軸疲勞斷裂的直接原因。

綜上所述，蝸桿軸發生疲勞斷裂的原因有三個方面：一是蝸桿軸未進行調質處理和表面熱處理，疲勞性能不佳；二是運行過程中存在較大的交變載荷，在應力集中的鍵槽位置發生了疲勞裂紋的萌生和擴展，最終導致斷裂；三是蝸桿軸材料基體內存在較多的夾雜物，破壞了材料基體的連續性，加速了疲勞裂紋的擴展。

5 結論與建議

對斷裂的蝸桿軸進行了失效分析研究，得出如下結論。

1）蝸桿軸材料為16MnCrS5鋼，其微觀組織為貝氏體+鐵素體組織，為非調質態組織，且未進行表面滲碳淬火強化。

2）蝸桿軸材料表層和心部的硬度分布較為均勻，未見明顯差異，進一步表明蝸桿軸未經淬火或調質處理。

3）蝸桿軸在運行過程中在鍵槽位置收到交變載荷作用，使其發生疲勞裂紋萌生和擴展，同時軸材料基體內存在較多的夾雜物，破壞了材料基體的連續性，加速了疲勞裂紋的進一步擴展，最終導致斷裂。

因此，建議后續改善設備運行過程中的振動情況，以降低蝸桿軸承受的交變載荷，同時對后續采購蝸桿軸備件表面硬度進行抽檢。