摘 要:某型礦車電動輪上的雙聯行星輪在運行過程中發生斷裂。采用宏觀觀察、掃描電鏡分 析、金相檢驗、硬度測試等方法分析了該行星輪斷裂的原因。結果表明:行星輪斷齒處呈典型的疲 勞斷裂特征;裂紋源位于距離齒根次表面約2mm位置,裂紋源處存在平行于齒寬方向的大尺寸紡 錘形氧化鋁夾雜物,裂紋從該處萌生并擴展,最終導致行星輪發生斷裂。
關鍵詞:行星輪;疲勞斷裂;氧化鋁夾雜;有效硬化層
中圖分類號:TB31;TG156.34 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)07-0064-04
齒輪是重要傳動部件,廣泛應用于汽車、船舶等 領域,在服役過程中主要承受齒根彎曲和齒面嚙合 兩種類型的載荷。齒輪結構如圖1所示,其中齒根 彎曲是指齒條在嚙合過程中可近似為一個小的懸臂 梁,齒根部位將承受最大的彎矩[1-2];齒面嚙合是指 齒輪在傳動過程中,次表層承受著周期性的赫茲應 力作用。齒輪較為常見的失效形式有齒根彎曲疲 勞、齒面接觸疲勞、齒面磨損、電蝕、偏載、點蝕、折 齒、變形等[3-7]。
某雙聯行星輪在運行過程中發生斷裂,行星輪 的材料為18CrNiMo7-6鋼,熱處理工藝為滲碳淬 火,累計運行時間僅為3000h。筆者采用一系列理 化檢驗方法對該行星輪斷齒的原因進行分析,以避免該類問題再次發生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
斷裂行星輪的宏觀形貌如圖2所示,可見除斷 齒部位外,齒條完好無損,未見異常;斷齒處包括兩 個幾乎垂直的斷口,分別為裂紋沿齒底徑向擴展形成的斷口1和沿周向擴展形成的斷口2。根據T形 裂紋判斷法可知,斷口 1 為主斷裂面,即首先開 裂處。
將斷口1人工打開并進行宏觀觀察,結果如圖 3所示。由圖3可知:斷裂面包括較為平滑的1區 和放射線粗大的2區,斷口2為1區末端發生二次 擴展所致;根據放射線紋路可判斷,裂紋源與行星輪 端面的距離約為22mm,與齒根次表面的距離約為 2mm;線狀缺陷平行于齒寬方向,其長度約為1~ 2mm。
1.2 掃描電鏡(SEM)分析
將斷口整體清洗后,采用掃描電鏡對其進行觀 察,結果如圖4所示。由圖4可知:裂紋源與齒面的 垂直距離約為2.43mm,分布方向基本與齒寬方向平 行;裂紋源呈紡錘形,長度約為1.43mm,最大寬度約 為0.108mm,最小寬度約為10μm;裂紋源區由尺寸約為2μm~5μm(直徑)的細小氧化鋁顆粒聚集而成。
對裂紋源處進行面掃描分析,結果如圖5所示, 可見裂紋源處的主要成分為氧化鋁。
1.3 金相檢驗
在斷口處取樣進行金相檢驗,結果如圖6所示。 由圖6可知:裂紋源與齒面的距離約為2.35mm;裂 紋源處可見寬度約為100μm、深度約為20μm的坑 狀缺陷,未觀察到夾雜物聚集現象;裂紋源處的顯微 組織與基體相同,均以回火馬氏體為主,未見氧化、 脫碳等熱處理缺陷。
1.4 硬度測試
齒底的顯微硬度梯度曲線如圖7所示,可見基 體的 硬 度 約 為 40 HRC,滿 足 技 術 要 求 (30~ 42HRC);有效硬化層深度約為1.802mm,說明裂紋源位于有效硬化層下方約0.6mm位置。
2 綜合分析
由上述理化檢驗結果可知:雙聯行星輪斷齒處 呈典型的疲勞斷裂特征,裂紋源與行星輪端面的距 離約為22mm、與齒根次表面的距離約為2mm,裂 紋源處可見平行于齒寬方向、長度約為1.43mm、最 大寬度約為0.108mm 的紡錘形氧化鋁夾雜物聚集 缺陷。
鋼中非金屬夾雜物破壞了金屬基體的連續性。 氧化鋁夾雜物屬于典型的脆性夾雜物,該類夾雜物 通常以團簇狀的形式分布于金屬基體中,在鍛造或 軋制過程中,夾雜物與基體材料的變形情況不一致, 破碎后將沿著變形方向呈鏈條狀分布。夾雜物大多 呈尖角狀,會導致局部應力集中程度顯著增大[8-12]。 該斷裂行星輪中的夾雜物聚集分布,使缺陷輪廓達 到了宏觀可見的尺寸。根據行星輪的設計準則,齒 根彎曲疲勞的最大彎矩應在齒根過渡圓弧表面,并 非齒底位置。夾雜物距離齒底次表層約2.43mm, 有效硬化層的深度約為1.802mm,硬化層內的硬 度、強度較高,對缺陷較敏感。氧化鋁夾雜物是脫氧 產物,屬于冶金缺陷。對于行星輪等需要表面硬化 的產品而言,當缺陷位于硬化層內時,行星輪的疲勞 壽命將極大地縮短,當缺陷尺寸足夠大時,即使其出 現在硬化層下方,也將以缺陷處為裂紋源發生疲勞 擴展,直至構件斷裂。
3 結論與建議
雙聯行星輪發生了疲勞斷裂,斷裂原因為:裂紋 源處存在沿齒寬方向平行分布的大尺寸氧化鋁夾雜 物,裂紋從夾雜物處萌生并發生疲勞擴展,最終導致 行星輪發生斷裂。
建議從源頭上控制鋼液冶煉澆注過程中的夾雜 物數量,在鋼液凝固時使夾雜物盡量上浮到鋼錠冒 口位置,制造過程中有效去除料頭、料尾,并采用合 理的鍛造工藝,將鍛件內大尺寸的非金屬夾雜物充 分破碎。
參考文獻:
[1] 封楠.漸開線斜齒輪彎曲疲勞強度分析與試驗方法研 究[D].北京:機械科學研究總院,2019.
[2] 劉本學,郭沛東,徐科飛,等.基于ANSYSWorkbench 的齒輪彎曲疲勞壽命分析[J].機械設計與制造,2018 (2):139-141.
[3] 王春亮,楊力,劉樂,等.齒輪的失效分析[J].理化檢 驗(物理分冊),2007,43(7):366-369.
[4] 陳敢澤.齒輪常見的失效形式及預防[J].中國特種設 備安全,2008,24(10):46-49.
[5] 龔寄.齒輪失效分析及其故障診斷方法研究[J].裝備 制造技術,2016(8):138-140.
[6] 曹渝,李平平,丁曉遙,等.20CrNi2Mo鋼制齒輪表面 點坑狀缺陷產生原因分析[J].理化檢驗(物理分冊), 2019,55(10):737-740.
[7] 吳建華,李平平,梁雪冬,等.地鐵列車從動齒輪表面 裂紋產生原因[J].理化檢驗(物理分冊),2022,58 (6):63-65.
[8] 楊帥,張啟飛,盧昀,等.氧化鋁夾雜破碎與彌散行為 的試驗研究[J].機械工程學報,2021,57(22):172- 183.
[9] 楊帥.鋼中氧化鋁夾雜鍛造過程中破碎行為研究 [D].秦皇島:燕山大學,2021.
[10] 李陽.鋼中氧化鋁類夾雜的形成機理和去除效果的基 礎研究[D].馬鞍山:安徽工業大學,2016.
[11] 周素霞,張昭,吳毅.內部夾雜物缺陷對EA4T車軸鋼 裂紋萌生壽命的影響[J].鐵道學報,2023,45(1):35- 41.
[12] 陳濤,易敏,丁寧,等.掃描電鏡夾雜物自動分析功能 在鋼材上的應用[J].冶金分析,2023,43(1):41-48.