17CrNiMo6磨煤機減速機齒輪軸斷裂原因分析

王曦

(華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030)

17CrNiMo6磨煤機減速機齒輪軸斷裂原因分析

王曦

(華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030)

17CrNiMo6是一種常用的軸承用鋼，某火力發(fā)電廠17CrNiMo6材質(zhì)的磨煤機減速機齒輪軸發(fā)生斷裂失效，對斷口進(jìn)行宏觀分析、化學(xué)元素成分分析、金相組織結(jié)構(gòu)分析以及力學(xué)性能(含硬度與沖擊功)檢驗。檢驗結(jié)果表明：軸外表面滲碳層力學(xué)性能分布不均，部分區(qū)域低于標(biāo)準(zhǔn)值；斷口形貌為沖擊疲勞斷口，設(shè)備長期處于高負(fù)荷運轉(zhuǎn)條件下，啟機時沖擊負(fù)荷較大引起輪齒處產(chǎn)生裂紋并迅速向軸中心部延伸，最終引起斷裂。

17CrNiMo6；軸；沖擊；斷裂；滲碳層；高負(fù)荷

0 引言

17CrNiMo6是一種德國研發(fā)的高強度滲碳齒輪用鋼，目前已廣泛應(yīng)用于采礦、運輸、鍛造等工業(yè)領(lǐng)域[1]，但仍未納入國標(biāo)，許多基本性能資料缺乏[2]，亟待進(jìn)一步的研究。該鋼用于重載齒輪軸時，所受載荷較大，對其抗疲勞性能有較高的要求，因此常采用噴丸工藝提高其抗疲勞性能，盡管如此，斷軸現(xiàn)象仍時有發(fā)生。

某電廠磨煤機中間軸在運行過程中發(fā)生斷裂，其材質(zhì)為17CrNiMo6(DIN 17210—1986《表面硬化鋼供貨技術(shù)條件》中國內(nèi)對應(yīng)材料牌號為17Cr2Ni2Mo)，軸表面經(jīng)過滲碳處理。

1 宏觀斷口分析

該軸為減速機中間級，其中大齒輪為套裝齒輪，小齒輪與軸一體，斷裂處位于軸承上大小齒輪交界處，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力較大，如圖1所示。

圖1 斷口位置示意

斷口及附近金屬未見明顯塑性變形，斷口大部分呈亮灰色，未見氧化腐蝕特征，存在宏觀疲勞條帶，如圖2所示。斷口可分為裂紋源區(qū)、疲勞擴展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)3個區(qū)域。裂紋起源于輪齒表面，裂紋源區(qū)斷口表面粗糙，源區(qū)紋路較粗，如圖3所示。裂紋源區(qū)呈放射狀，未見明顯疲勞特征。裂紋源的宏觀特征表明裂紋起裂應(yīng)力較大，從裂紋起裂到最終斷裂的時間不長，裂紋擴展速度較快，裂紋源區(qū)由于匹配斷面反復(fù)碰磨而發(fā)黑。

圖2 斷口宏觀形貌

圖3 裂紋源區(qū)域

從細(xì)節(jié)上看，裂紋源附近存在明顯層狀撕裂，輪齒上滲碳層與基體存在明顯的分層，如圖4所示。裂紋源上存在一條沿軸承徑向橫跨3個輪齒的裂紋，裂紋存在明顯方向性(沿軸承轉(zhuǎn)動方向)，說明日常運行中該處受到的沖擊很大，如圖5所示。

圖4 裂紋源區(qū)域細(xì)節(jié)

圖5 輪齒上裂紋

疲勞擴展區(qū)有大量明顯的宏觀疲勞條帶，據(jù)此可看出裂紋擴展方向為由外向內(nèi)擴展。從斷面可以看出，裂紋擴展過程中存在數(shù)次快速斷裂，表明運行過程中軸曾經(jīng)承受過多次較大的沖擊載荷。瞬斷區(qū)面積在整個斷口中所占比例較大，說明工件正常運行過程中所受的應(yīng)力較大。

2 檢查情況

2.1化學(xué)成分分析

對樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析，樣品中主要元素Cr，Ni，Mo，Mn的含量均符合標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 樣品化學(xué)成分分析 %

2.2沖擊檢驗

在軸外表面選取3處不同位置進(jìn)行室溫沖擊檢測，沖擊功檢測結(jié)果為31,31,43J。結(jié)果表明，外表面滲碳部位在不同區(qū)域滲碳層厚度不同，導(dǎo)致部分區(qū)域沖擊功遠(yuǎn)小于DIN 17210—1986《表面硬化鋼供貨技術(shù)條件》中要求的41J，使得沖擊韌性下降，裂紋敏感性增加。

2.3金相檢驗

沿徑向取樣進(jìn)行金相檢測，金相組織為均勻的回火索氏體，組織未見異常，如圖6所示。

圖6 金相組織500×

2.4運行過程資料核查

調(diào)取分散控制系統(tǒng)(DCS)上啟動電流等參數(shù)，啟機時瞬間電流達(dá)到200 A，正常啟動電流為110 A左右，表明在滿煤情況下，軸在瞬間承受的沖擊荷載遠(yuǎn)大于正常啟動時的沖擊荷載。該設(shè)備長期處于滿負(fù)荷狀態(tài)，說明該軸長期承受較大荷載。

3 結(jié)果分析

斷裂軸是減速機中承上啟下的重要部件，工作中承受低速軸傳遞的扭矩和高速齒輪軸的推力。斷口及附近金屬未見明顯塑性變形，齒輪上存在較長裂紋，斷口表面存在大量宏觀疲勞條帶，可判斷為沖擊疲勞斷裂。

軸表面硬度和金相組織均符合要求。軸斷口為沖擊疲勞斷口，疲勞源區(qū)高周疲勞特征不明顯，表明疲勞源是較大的沖擊載荷，且裂紋擴展速度較快。

4 結(jié)論

經(jīng)綜合分析，軸斷裂的原因為：(1)材料外表面滲碳層性能不均勻，部分區(qū)域沖擊功低于標(biāo)準(zhǔn)值；(2)在減速機啟停、變負(fù)荷、非正常工況下，由于受到較大沖擊載荷的作用，軸在輪齒部位萌生了裂紋源并逐漸向中心擴展，最終造成軸的斷裂。

[1]PANG Z R, YU S J, XU J W. Study of effect of quenching deformation influenced by 17CrNiMo6 gear shaft of carburization[J].Physics procedia,2013(50):103-112.

[2]閻承沛.我國齒輪熱處理技術(shù)概況及發(fā)展趨勢[J].熱處理,2002,17(1):14-25.

TG 115

B

1674-1951(2017)10-0058-02

2017-08-18；

2017-09-22

(本文責(zé)編：劉芳)

王曦(1985—)，男，湖北武漢人，工程師，工學(xué)碩士，從事焊接技術(shù)，金屬失效分析工作(E-mail:35362611@qq.com)。