高壓斷路器是電力系統(tǒng)的重要組成部分,其主要作用是開斷、關(guān)合線路的正常電流和故障電流,以確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。齒輪軸作為其中主要的傳動件,一旦失效將導致斷路器開合異常。某高壓斷路器在進行300次開合試驗后動作異常,解體后發(fā)現(xiàn)一級齒輪軸與齒輪啃合處的齒牙全部斷裂。該齒輪軸材料為20CrMnMo鋼,其加工工藝為：鍛造→正火→粗加工→滲碳→淬火→低溫回火→精加工。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了齒輪軸斷齒的原因,以防止該類故障再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

斷齒齒輪軸宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：齒輪軸與齒輪啃合處齒牙全部沿齒根斷裂,斷口附近未發(fā)現(xiàn)明顯塑性變形和剪切唇；斷齒受力面上存在輕微的摩擦痕跡,該部位磨損量較小,為正常工作時產(chǎn)生的磨痕,且斷裂齒根處未發(fā)現(xiàn)摩擦痕跡,說明磨痕不是齒輪軸斷齒的原因。 

圖  1  斷齒齒輪軸宏觀形貌

斷口宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：斷口呈結(jié)晶狀,具有淺灰色金屬光澤；斷口上可看到裂紋擴展棱線,根據(jù)棱線收斂方向可看出斷口受力面上存在多處裂紋源,裂紋從受力面齒根處向非受力面方向擴展,呈多源脆性斷裂特征。 

圖  2  斷口宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在齒輪軸基體上取樣,采用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：試樣的化學成分符合GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》對20CrMnMo鋼的要求。 

1.3   硬度及滲碳層深度測試

依據(jù)GB/T 9450—2005 《鋼件滲碳淬火硬化層深度測定校準》對齒輪軸有效硬化層深度進行測試,由于齒輪軸的齒牙上已完全滲碳,因此從其齒根圓處測試,結(jié)果如圖3所示。該齒輪軸的圖紙要求滲碳層深度為0.8~1.2 mm,實際有效硬化層深度約為1.16 mm,接近圖紙要求的上限。 

圖  3  有效硬化層深度測試結(jié)果

滲碳層硬度梯度曲線如圖4所示。由圖4可知：從表面至心部滲碳層硬度先升高后降低,齒輪軸滲碳層硬度要求為50~60 HRC,實測滲碳層表面硬度為56~58 HRC,次表面硬度為62~63 HRC,次表面滲碳層硬度高于設(shè)計要求；基體硬度要求為30~40 HRC,實測硬度為34~36 HRC,基體硬度符合設(shè)計要求。 

圖  4  滲碳層硬度梯度曲線

1.4   金相檢驗

在齒輪軸斷齒附近截取金相試樣,采用光學顯微鏡對齒角、齒面、齒根和基體等部位進行觀察,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：齒角組織為大塊狀及粗網(wǎng)狀碳化物+粗針狀馬氏體+較多殘余奧氏體；齒面和齒根處組織為網(wǎng)狀碳化物+粗針狀馬氏體+較多殘余奧氏體,且齒根處存在少量塊狀碳化物；基體組織為粗大低碳馬氏體+少量貝氏體；參照GB/T 25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》,碳化物評定為6級,馬氏體及殘余奧氏體評定為6級,屬于過熱組織,且滲碳層上碳元素質(zhì)量分數(shù)偏高[1]。 

圖  5  齒輪軸的顯微組織形貌

1.5   掃描電鏡（SEM）及能譜分析

采用掃描電鏡觀察斷口的微觀形貌,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：斷口呈冰糖狀沿晶開裂形貌,且晶粒粗大；裂紋從受力面沿晶界向非受力面擴展,裂紋源區(qū)及裂紋擴展區(qū)均存在沿晶二次裂紋,且裂紋源處存在塊狀物。 

圖  6  斷口SEM形貌

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

采用能譜儀對裂紋源處的塊狀物和晶面進行能譜分析,分析位置如圖6（b）所示,分析結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：塊狀物中主要含有鐵元素和碳元素,其中碳元素質(zhì)量分數(shù)約為10%,而晶粒表面幾乎未檢測到碳元素,結(jié)合金相檢驗結(jié)果,可判斷裂紋源處塊狀物為碳化物。 

圖  7  塊狀物及晶面處能譜分析結(jié)果

2.   綜合分析

由以上檢驗結(jié)果可知,齒輪軸表面碳元素含量偏高,且晶粒粗大,但滲碳層深度符合設(shè)計要求,說明齒輪軸的滲碳過程提高了碳勢及滲碳溫度,且縮短了滲碳時間[2]。 

滲碳時溫度及碳勢偏高使奧氏體晶粒粗大、奧氏體中合金元素增多,合金元素使奧氏體的穩(wěn)定性變大,經(jīng)淬火回火后,滲碳層表面會出現(xiàn)粗針馬氏體及大量殘余奧氏體。同時,滲碳層表面碳元素含量偏高,導致其臨界溫度升高,淬火時易使碳化物呈塊狀及網(wǎng)狀析出,尖角效應(yīng)使該現(xiàn)象在齒角處更為明顯[3]。

滲碳層整體硬度偏高,但滲碳層表面的大量殘余奧氏體使表面硬度有所降低[4],這使得滲碳層硬度由表面至心部呈先升高后降低的趨勢,因此出現(xiàn)了滲碳層表面硬度合格而次表面硬度偏高的現(xiàn)象。 

齒輪軸晶粒粗大,且組織中存在粗針狀馬氏體、大塊狀碳化物及網(wǎng)狀碳化物等脆性相,使得材料脆性增大、強度降低。齒根處為應(yīng)力集中部位[5],該處的塊狀碳化物破壞了材料表面的連續(xù)性,使應(yīng)力集中的情況加劇,網(wǎng)狀碳化物的存在使裂紋容易沿晶擴展。在應(yīng)力作用下,齒根碳化物處首先產(chǎn)生顯微裂紋,裂紋沿奧氏體晶界擴展,最終導致齒輪軸發(fā)生多源脆性斷裂。 

3.   結(jié)論及建議

齒輪軸在生產(chǎn)的過程中碳勢及滲碳溫度偏高,縮短了滲碳時間,使材料晶粒粗大,且產(chǎn)生了粗針狀馬氏體、大塊狀碳化物及網(wǎng)狀碳化物等脆性相,在應(yīng)力作用下,齒根碳化物處首先產(chǎn)生顯微裂紋,裂紋沿奧氏體晶界擴展,最終導致齒輪軸發(fā)生多源脆性斷裂。 

在生產(chǎn)過程中,對于形狀復雜的零部件,建議嚴格按照熱處理工藝參數(shù)進行生產(chǎn)作業(yè)。在檢驗過程中,采用常規(guī)的滲碳層深度及表面硬度測試方法不易發(fā)現(xiàn)該類零件的缺陷,建議在采用金相檢驗法檢測滲碳層深度時,仔細觀察滲碳層表面,特別是觀察尖角部位是否存在組織缺陷。

文章來源——材料與測試網(wǎng)