減速器齒輪軸斷裂失效分析

聞 臻 王志奮 劉 冬 賈 雁

(1.武鋼有限技術(shù)中心 湖北 武漢:430080;2.武鋼有限熱軋廠 湖北 武漢:430080)

0 引言

齒輪軸起到傳遞動力的作用,在驅(qū)動裝置中往往有至關(guān)重要的作用,作為一個高轉(zhuǎn)速、少支承的旋轉(zhuǎn)體,在動平衡中穩(wěn)定工作是維持整體構(gòu)件安全運行的前提保障。軸斷裂引起的事故時有發(fā)生,斷裂原因包括:過載運行、材質(zhì)不合格、超出使用壽命期限、應(yīng)力集中造成疲勞斷裂、加工缺陷等[1-5]。對斷裂軸進行失效原因分析,并及時提出改進措施,保障減速器正常穩(wěn)定運行,具有較大的經(jīng)濟效益。

某減速器齒輪軸在運行不到1年發(fā)生了斷裂,齒輪軸工作時間低于設(shè)計使用壽命。本文結(jié)合設(shè)備使用情況、環(huán)境等特點,通過物理、化學(xué)、力學(xué)等綜合分析手段分析了該齒輪軸失效斷裂的原因。

1 試驗材料和方法

斷裂減速器包括齒輪軸部分和電機部分,齒輪軸斷裂部分帶齒,見圖1。應(yīng)用ARL-460直讀光譜對試樣進行了化學(xué)成分檢驗。應(yīng)用Olympus GX71光學(xué)顯微鏡、FEI Quanta FEG 450掃描電鏡對斷裂試樣的斷口形貌、微區(qū)成分、金相組織、EBSD進行了分析。應(yīng)用FV-700維氏硬度計、iXRD-X射線殘余應(yīng)力測試儀對試樣硬度和殘余應(yīng)力進行分析。應(yīng)用HY2050型豪克能焊接應(yīng)力消除裝置進行超聲沖擊強化試驗。

圖1 減速器齒輪軸宏觀形貌

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)成分

運用化學(xué)直讀光譜對材料化學(xué)成分進行分析,齒輪軸成分見表1,從成分可知,該材質(zhì)成分符合GB/T3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中40Cr的成分范圍。

2.2 微觀分析

斷口觀察:由圖1觀察,斷裂位于齒輪軸與電機鏈接的R角位置,根據(jù)實際工況判斷該部位應(yīng)力集中,整體斷口表現(xiàn)為類似花瓣狀開裂特征,每一齒分別開裂。對齒輪軸斷口進行超聲清洗后在掃描電鏡下觀察形貌,可觀察到斷口均由齒輪軸表面起裂,沿徑向向內(nèi)部擴展,斷口起裂附近斷面上存在明顯的疲勞弧線以及高溫氧化特征,氧化產(chǎn)物中存在含S等腐蝕性元素,形貌和成分見圖2、圖3。

表1 齒輪軸化學(xué)成分含量(wt.%)

圖3 齒輪軸斷口微區(qū)成分

低倍檢驗和高倍觀察:取斷口附近和遠(yuǎn)離斷口的齒輪軸圓截面加工成低倍樣,按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 226-2015 《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》進行低倍檢驗,取斷裂附近截面部分制備金相樣,在光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡下觀察。可觀察到齒輪軸斷面未見明顯的低倍冶金缺陷,斷口附近截面觀察到多源起裂,裂紋由齒底起裂向中心延伸,裂紋擴展過程中分叉,與其他齒底產(chǎn)生裂紋匯合,從而形成斷面,在裂紋中發(fā)現(xiàn)與斷口表面氧化產(chǎn)物成分一致的腐蝕產(chǎn)物,見圖4～圖5。

圖4 齒輪軸截面低倍形貌

圖5 齒輪軸斷口截面微觀形貌

金相組織和EBSD分析:斷口截面金相樣經(jīng)3%硝酸酒精浸蝕后觀察金相組織,裂紋起源于齒底,起裂區(qū)及裂紋附近組織均為回火索氏體+少量貝氏體組織,材料進行過調(diào)質(zhì)處理,見圖6。EBSD分析結(jié)果表明,裂紋起裂部位和擴展區(qū)域的晶粒取向無明顯的織構(gòu)特征,晶粒尺寸亦無明顯差異,試樣的有效晶粒尺寸為2.41μm,材料強度較高,見圖6。40Cr合金結(jié)構(gòu)鋼,一般經(jīng)過淬火及中溫回火后用于制造承受高負(fù)荷、沖擊及中等速度工作的零件,如齒輪、主軸等。該回火索氏體組織與材料的調(diào)質(zhì)處理工藝一致。

圖6 齒輪軸裂紋附近金相組織(a)和EBSD取向分布圖(b)

2.3 分析與討論

該減速器是鋼卷運輸帶的一部分,且位于運輸?shù)谝粋€轉(zhuǎn)向部位,存在使用頻率高、環(huán)境溫度高(負(fù)載鋼卷在500℃～600℃)等特點。從上面微觀分析可知,在高溫工業(yè)大氣環(huán)境下,溫度升高,設(shè)備零部件強度隨之下降,在較高頻率的不斷轉(zhuǎn)動下,裂紋更加容易在應(yīng)力集中的R 角部位萌生,隨著減速器運行,產(chǎn)生疲勞開裂。

針對上面原因分析,提出了應(yīng)用表面強化技術(shù)來對現(xiàn)有的備件進行強化,延長使用壽命。表面強化技術(shù),主要有噴丸強化、滾壓強化、感應(yīng)淬火以及超聲沖擊等,這些方法具有良好的強化效果。超聲沖擊技術(shù)作為一種有效的表面強化方法,可以使金屬表面產(chǎn)生彈塑性變形,晶粒減小,硬度增加,同時改變表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)、提高金屬的疲勞壽命和腐蝕性能,因此可把超聲沖擊技術(shù)應(yīng)用于齒輪軸的表面強化上,提高其綜合力學(xué)性能[6-8]。

選取齒輪軸截面樣品,表面打磨光潔,按圖7中沿3個半徑方向分布布置近表面、半徑1/3位置、半徑2/3位置被側(cè)點位。為了考慮超聲沖擊設(shè)備、試樣表面粗糙度等因素對于硬度、殘余應(yīng)力等試驗結(jié)果的影響,因此每個電流下測試3點,取平均值。3個半徑線上超聲沖擊設(shè)定不同的沖擊能量,輸入電流分別為:點位1、2、3對應(yīng)電流1.5A,點位4、5、6對應(yīng)電流1A,點位7、8、9對應(yīng)電流2A。在超聲沖擊應(yīng)力調(diào)控前后分別測試了9個被側(cè)點位的維氏硬度HV1,并依據(jù)經(jīng)驗公式換算了調(diào)控前后的抗拉強度Rm,見圖8。同步還測試了超聲沖擊應(yīng)力調(diào)控前后9個被側(cè)點位的表面殘余應(yīng)力,見圖9。

圖7 齒輪軸截面測量區(qū)域

圖8 超聲應(yīng)力調(diào)控前后硬度及抗拉強度變化

圖9 超聲應(yīng)力調(diào)控前后表面殘余應(yīng)力變化

由圖8可知,超聲沖擊處理后齒輪軸材料的表面硬度和強度都有顯著提升。超聲處理電流1A、1.5A和2A,調(diào)控前后強度提升的幅度分別為12.5%、27.9%、61.2%。單點強度最大增幅由1026MPa增加至1842MPa,超聲沖擊表面強化效果顯著。

由圖9可知,超聲沖擊前齒輪軸截面均存在壓縮殘余應(yīng)力,且各測點的測量結(jié)果有較好的一致性,說明齒輪軸出廠前也進行了熱處理應(yīng)力調(diào)控且沿截面由內(nèi)向外調(diào)控應(yīng)力較為均勻。超聲沖擊后,法向殘余應(yīng)力的增幅大于切向殘余應(yīng)力,但考慮抵抗扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力造成的疲勞斷裂,切向殘余壓應(yīng)力的增幅可起到阻礙裂紋萌生,延長齒輪軸使用壽命的功效,統(tǒng)計超聲處理電流1A、1.5A和2A,對應(yīng)切向殘余應(yīng)力增幅平均值分別為57.9%、79.1%和109.9%,單點最大殘余應(yīng)力增幅由-243MPa至-540MPa。在后期齒輪軸使用過程中,由于增加了約300MPa的殘余壓應(yīng)力,因此要發(fā)生扭轉(zhuǎn)疲勞破壞承受的外部載荷(譬如鋼卷自重、齒輪軸扭矩、熱應(yīng)力等)需要在原有工況下再增加300MPa才會發(fā)生。

齒輪軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)疲勞破壞的臨界條件是:外部載荷P≥扭轉(zhuǎn)疲勞極限Pmax,且達到該外部載荷對應(yīng)服役疲勞壽命(服役時間)。超聲沖擊應(yīng)力調(diào)控的兩項作用分別是表面強化和預(yù)制壓應(yīng)力場。表面強化對材料自身強度提升在50～800MPa不等,預(yù)制壓應(yīng)力場對材料承載能力的容限增加在120～300MPa不等。這兩項作用可以從提升材料變形抗力和抑制疲勞裂紋萌生,都可以提升扭轉(zhuǎn)疲勞極限Pmax,從兩個角度實現(xiàn)齒輪軸延壽。但還得考慮不同沖擊能量對齒輪軸表面粗糙度的影響,粗糙度的增加會增加應(yīng)力集中系數(shù),對外部載荷P有放大作用,不利于延壽,應(yīng)盡量減少粗糙度的增加。從上面分析結(jié)果,建議選用參數(shù)1.5A沖擊電流實施實物超聲沖擊應(yīng)力調(diào)控,并在現(xiàn)場裝配驗證延壽效果。

3 結(jié)論

本文對減速器齒輪軸的斷裂失效行為進行了研究,主要結(jié)果如下:

(1)開裂起源及裂紋附近組織為回火索氏體+少量貝氏體組織,低倍檢驗未見明顯冶金缺陷,化學(xué)成分符合40Cr的國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)斷裂位于齒輪軸與電機鏈接的應(yīng)力集中R角位置,裂紋由齒底起裂向中心延伸,各齒底裂紋擴展過程中匯合,形成斷面。

(3)斷口存在明顯的疲勞弧線以及高溫腐蝕氧化特征。

結(jié)論:該齒輪軸的化學(xué)成分、金相組織以及低倍檢驗結(jié)果均符合材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)要求。在高溫高頻率旋轉(zhuǎn)條件下,齒輪軸在應(yīng)力集中的R角位置高溫扭轉(zhuǎn)疲勞開裂。根據(jù)分析結(jié)果,提出了改進措施:運用超聲沖擊應(yīng)力調(diào)控技術(shù),對現(xiàn)有的備件的齒輪軸R角部位進行超聲沖擊,使該部位表面強度提升,并形成預(yù)制壓應(yīng)力場,從而增加抵抗扭轉(zhuǎn)疲勞能力,并減緩疲勞裂紋萌生。建議開展超聲沖擊應(yīng)力調(diào)控技術(shù)現(xiàn)場試用,摸索合理工藝并推廣。