某重載高速齒輪箱太陽輪開裂原因

劉聰穎,晁永強(qiáng),黨軍玲,黃文鵬,仲博穎,馬宏利,龍 倩,王 濤

(重慶齒輪箱有限責(zé)任公司,重慶 402263)

某重載高速齒輪箱中一級太陽輪的材料為17CrNiMo6鋼，該太陽輪一端為齒輪，另一端為花鍵(見圖1)，主要制造工序?yàn)椋哄懺臁稹ズ谄ぁ暀z測→粗車→滾齒→滲碳淬火+回火→噴丸→磨外圓→滾花鍵齒→感應(yīng)淬火→磨齒→無損檢測，其中滲碳淬火工序只針對齒輪部位進(jìn)行。太陽輪的其余部位刷涂防滲涂料，隨后在另一端滾花鍵齒，然后對花鍵齒部位單獨(dú)進(jìn)行感應(yīng)淬火，再進(jìn)行整體低溫回火處理，在磨齒完成后的24 h內(nèi)進(jìn)行無損檢測。

圖1 開裂太陽輪結(jié)構(gòu)示意

圖2 開裂太陽輪花鍵齒底部裂紋的宏觀形貌

完成上述所有工序后，在對太陽輪進(jìn)行裝配時，發(fā)現(xiàn)該太陽輪花鍵齒底部有一條貫穿齒寬的裂紋，深度約為1/3半徑(見圖2)。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡(SEM)及能譜分析等方法對該太陽輪的開裂原因進(jìn)行分析，并提出了預(yù)防措施，以避免該類問題再次發(fā)生。

圖3 斷口的宏觀形貌

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

觀察斷口的宏觀形貌，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：斷口新鮮，無明顯宏觀塑性變形，較平齊，整個斷裂面較粗糙，人字紋走向清晰；裂紋源位于花鍵齒底下方約6 mm，離齒左端約37 mm處，裂紋源長度約為3 mm，寬度約為0.8 mm，呈橢圓狀，從人字紋走向可以看出，裂紋從該裂紋源向四周擴(kuò)展。

1.2 化學(xué)成分分析

從開裂太陽輪基體上取樣，用直讀火花光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可見該太陽輪的化學(xué)成分滿足GB/T 3077—2019 《合金結(jié)構(gòu)鋼》對17CrNiMo6鋼的要求。

表1 開裂太陽輪的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 金相檢驗(yàn)

對開裂太陽輪的花鍵齒進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：花鍵齒的淬火層組織為低碳回火馬氏體，心部組織為貝氏體，心部鐵素體級別為1級，滿足企業(yè)技術(shù)要求，斷口表面無脫碳及污染。

圖4 花鍵齒的顯微組織形貌

在斷口裂紋源附近沿軸向取樣，拋光后進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)一條寬度約為33 μm，長度約為430 μm的串鏈狀夾雜物(見圖5)，根據(jù)GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》，判斷該串鏈狀夾雜物為寬度超尺寸夾雜。

圖5 非金屬夾雜物的微觀形貌

1.4 SEM及能譜分析

用SEM對斷口進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：斷口裂紋源區(qū)有較多聚集分布的白色塊狀物質(zhì)，裂紋源區(qū)的斷口呈冰糖狀，斷裂性質(zhì)為沿晶斷裂；裂紋擴(kuò)展區(qū)可見河流花樣的解理小刻面，小刻面之間以撕裂棱線連接，斷裂性質(zhì)主要為準(zhǔn)解理斷裂[1]。

對白色塊狀物質(zhì)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖7所示，可見白色塊狀物主要含有Al，O，Si，K，Ca等元素。

2 綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：該開裂太陽輪的化學(xué)成分和顯微組織均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但斷口附近的基體有寬度超尺寸夾雜物；該太陽輪的斷口新鮮，裂紋源及裂紋邊緣未發(fā)現(xiàn)有脫碳或者污染。因此，判斷裂紋形成于所有加工工序完成之后、裝配之前。

太陽輪花鍵齒端經(jīng)滲碳淬火+回火、滾花鍵齒、表面感應(yīng)淬火處理后，零件表面有較大的殘余拉應(yīng)力[2]。一般情況下，晶界的結(jié)合力比晶內(nèi)的結(jié)合力高[3]，但夾雜物不僅破壞了材料連續(xù)性，還降低了基體晶粒之間的結(jié)合能[4]。夾雜物的邊界處往往呈尖角狀，有應(yīng)力集中，在應(yīng)力的作用下，裂紋最先在夾雜物與基體結(jié)合能較低或者夾雜物的尖角處萌生，并沿晶界進(jìn)一步擴(kuò)展，因此，裂紋源區(qū)的開裂性質(zhì)主要為沿晶斷裂。進(jìn)入擴(kuò)展區(qū)后，基體中沒有夾雜，晶界結(jié)合力正常，裂紋開始沿晶內(nèi)結(jié)合能較低的解理面擴(kuò)展，因此，擴(kuò)展區(qū)的開裂性質(zhì)主要為準(zhǔn)解理斷裂。

圖6 斷口的SEM形貌

圖7 白色塊狀物質(zhì)的能譜分析結(jié)果

3 結(jié)論與建議

該太陽輪的裂紋是在加工完成后、裝配前產(chǎn)生的，次表層的夾雜缺陷降低了材料的結(jié)合力，使材料在加工殘余應(yīng)力作用下發(fā)生低應(yīng)力脆性開裂。

建議在滿足齒面硬度的前提下，盡量提高去應(yīng)力回火溫度以及適當(dāng)延長保溫時間，或者再增加一次去應(yīng)力回火，以降低殘余應(yīng)力。在齒輪件徑向，從齒頂向內(nèi)的兩倍齒頂高范圍內(nèi)，缺陷的驗(yàn)收當(dāng)量應(yīng)高于其他部位。