某船用齒輪箱在運行時發生中斷,停機拆解后發現齒輪中齒軸斷齒,其材料為18CrNiMo7－6,主要生產工藝為：鍛造→滾齒→熱處理→磨齒→酸洗,其滲碳處理要求參照ISO 6336－5：2016 《正齒輪和斜齒輪載荷能力的計算 第5部分：材料的強度和質量》MQ級。筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡(SEM)和能譜分析、硬度測試和金相檢驗等方法分析了齒輪斷齒的原因,以防止該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

中齒軸宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：該中齒軸有1條斷齒,其他部位的齒均無開裂或嚴重磨損等現象。 

圖  1  中齒軸宏觀形貌

截取中齒軸的斷齒部位,斷口宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：擴展區可見疲勞貝殼紋,收斂方向指向裂紋源區。裂紋擴展方向如圖2中箭頭所示。 

圖  2  斷口宏觀形貌

中齒軸斷裂部位齒面宏觀形貌如圖3所示。根據裂紋源位置以及分叉法原理可以繪制出整個斷齒的裂紋擴展方向,如圖3中黃色箭頭所示。中齒軸斷裂性質為疲勞斷裂,裂紋起源于齒部位次表面。 

圖  3  中齒軸斷裂部位齒面宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在中齒軸上截取試樣,并對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：中齒軸的化學成分符合EN 10084—2008 《滲碳鋼－交貨技術條件》對18CrNiMo7－6鋼的要求。 

1.3   SEM和能譜分析

將斷口試樣用超聲波清洗,再將其置于掃描電子顯微鏡下觀察,裂紋源區SEM形貌如圖4所示。由圖4可知：裂紋源區呈軸向分布的條狀形態,長度約為1 mm；該條狀形態區域內可見異物。 

圖  4  裂紋源區SEM形貌

采用能譜儀對異物進行分析,結果如圖5所示。由圖5可知：基體中的異物主要為Al2O3夾渣。 

圖  5  裂紋源區異物的能譜分析結果

疲勞擴展區SEM形貌如圖6所示。由圖6可知：擴展區存在疲勞輝紋及大致平行的二次裂紋,符合疲勞斷裂的微觀形貌特征。 

圖  6  疲勞擴展區SEM形貌

1.4   滲碳層深度測定

垂直于齒面的剖面截取試樣,將試樣鑲嵌、磨拋后,置于顯微硬度計上進行測試,采用9.807 N對齒面淬硬層硬度進行測定,結果如表2所示。根據ISO 6336－5：2016,試樣齒面淬硬層深度為2.26 mm。表面硬度及滲碳層深度均符合ISO 6336－5：2016標準要求。 

1.5   金相檢驗

用化學試劑腐蝕試樣,再將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖7,8所示。由圖7,8可知：試樣斷口處表面顯微組織為細針狀馬氏體＋殘余奧氏體＋彌散點粒狀分布的碳化物(見圖7)；心部顯微組織為低碳馬氏體＋貝氏體(見圖8)。 

圖  7  斷口處表面顯微組織形貌

圖  8  斷口處心部顯微組織形貌

2.   綜合分析

齒軸的化學成分符合EN 10084—2008對18CrNiMo7－6鋼的要求,其滲碳層符合ISO 6336－5：2016標準中MQ級的技術要求。表面顯微組織為細針狀馬氏體＋殘余奧氏體＋彌散點粒狀分布的碳化物；心部顯微組織為低碳馬氏體＋貝氏體,顯微組織符合熱處理工藝及ISO6336－5：2016標準要求,無異常。 

由斷口的宏觀形貌可知,中齒軸斷裂性質為疲勞斷裂,裂紋起源于次表面。由斷口的SEM及能譜分析結果可知,裂紋源處存在Al2O3夾渣。在中齒軸實際運行過程中,齒次表面分布的Al2O3夾渣破壞了材料的連續性[1],因此在交變載荷的作用下,夾渣缺陷處裂紋發生疲勞擴展,最終導致中齒軸斷齒。 

3.   結論

中齒軸的化學成分、滲碳層硬度和心部組織均符合相關技術要求。裂紋源區的基體中存在異物,異物主要為Al2O3夾渣,夾渣分布在中齒軸的次表面,在中齒軸工作時的交變應力作用下,材料萌生微裂紋,微裂紋疲勞擴展,最終導致中齒軸疲勞斷裂。

文章來源——材料與測試網