20CrNi2Mo鋼滲碳淬火齒輪軸失效分析及對策

■ 劉蘋

球磨機是利用鋼球作為研磨介質進行磨礦的設備，其結構簡單，性能穩定，破碎比大，可對各種礦石和其他可磨性物料進行干式或濕式粉磨，適應性強，易于實現自動化控制。因此，在選礦、建材、化工、冶金、材料等行業中，球磨機都是最普遍、最通用的粉磨設備。隨著企業生產規模的不斷擴大和礦石品位的下降，使得球磨機的生產能力越來越大，并使球磨機越來越大型化。

齒輪軸是傳動裝置上的關鍵部件，隨著球磨機向大型化發展，齒輪軸的加工工藝也有所改變，采用滲碳鋼（滲碳淬火）代替中碳合金鋼（調質+齒部表面淬火）。

某公司齒輪軸材質選用20CrNi2Mo鋼，規格為φ579mm×3000mm，模數25，齒數21，左旋7.5°，經鍛造、粗車、無損檢測、調質（650℃回火）、精車、磨前銑齒、齒部滲碳淬火+回火（滲碳層深度2.5～3mm，齒面硬度57～61HRC）、磨齒等工序加工而成，鍛造及熱處理質量直接影響軸齒輪的使用壽命。

在用戶現場使用過程中，齒輪軸斷裂時未發現明顯異常，只是在運行中電動機仍在工作，但齒輪軸已不隨著旋轉。該齒輪軸使用壽命大概在12個月左右。齒輪軸的結構如圖1所示，齒輪軸斷裂宏觀形貌如圖2所示。

圖1 齒輪軸照片

圖2 齒輪軸裂紋宏觀形態

造成齒輪軸斷裂的原因很多，設計、工藝、加工精度、鍛造、熱處理、安裝精度、維護保養等各個環節均可能造成該齒輪軸斷裂，由于該斷裂齒輪軸為備件，在更換該斷軸前的另一根齒輪軸因到使用壽命而失效，說明設計、工藝、加工、安裝、維護保養等環節不存在問題。為查找該齒輪軸斷裂的主要原因，對其進行了化學成分分析、金相組織觀察、斷口觀察和力學性能測試等。

一、理化檢驗及分析

齒輪軸在齒部斷裂，在斷口分離前，裂痕呈直線狀沿周向分布（見圖2a）。裂痕及附近區域無宏觀塑性變形，顯示脆性斷裂特征。斷裂齒軸為徑向通透型斷裂（見圖2b）。

對球磨機斷裂齒輪軸進行檢測，具體檢測項目有斷口檢測、金相組織檢測、化學成分檢測、力學性能檢測。對斷軸進行切割取樣，取樣情況如圖3、圖4所示。

1. 斷口檢測

（1）斷口宏觀檢測 對應面斷口宏觀形貌如圖5～圖7所示。斷口平齊，斷面可見明顯放射狀花樣。放射狀花樣的收斂區在偏離圓心的圓形相對平坦區域及略帶凹凸位置，該區域距齒頂約250mm，為斷裂源區，如圖5中箭頭所示。對應面一側斷口因鉆取化學成分分析樣品，斷裂源區已被破壞（見圖6箭頭），另一側除斷口表面油污較嚴重外，斷面基本無損傷。在斷裂源區取樣并清洗后（見圖7），肉眼可見斷裂源區沿枝晶開裂特征（枝晶間存在明顯臺階）及15mm×10mm和10mm×2mm夾雜物缺陷。

（2）斷口微觀檢測 用掃描電鏡觀察了斷裂源區及附近斷口微觀形貌（見圖8、圖9），斷口顯示解理及準解理斷裂特征。對斷裂源區缺陷（見圖9）進行了能譜定性及半定量檢測，結果缺陷部位含有O、Ca、Si、C、Al、Fe、Mg、Na、K等元素， 為夾渣缺陷。

圖3 取樣情況

圖4 取樣情況對比

圖5 齒輪軸斷口

圖6 對應一側齒輪軸斷口

圖7 齒輪軸局部斷口

2. 金相組織檢測

（1）低倍組織檢測 在斷口附近截取了齒軸徑向（距斷口軸向距離約20mm）及軸向樣品，進行了低倍組織檢測，結果如圖10～圖12所示，圖11、圖12試樣上表面為斷口。依據GB/T 1979—2001標準低倍組織評定為一般疏松0.5級，無其他低倍組織缺陷。存在較嚴重枝晶組織，斷裂源區枝晶組織尤為嚴重，滲碳淬火層及調質處理層清晰可見，調質層距齒頂深度約為110mm。

（2）金相檢測 圖13為齒輪軸非金屬夾雜物檢測結果，參照GB/T 10561—2005標準評定為：A類粗系1級，B類粗系1級，C類0級，D類細系2級。圖14為齒根部滲碳淬硬層組織，組織為回火馬氏體，馬氏體級別5級。圖15為調質層，調質組織為回火索氏體+鐵素體，存在枝晶組織。圖16為調質層附近組織，組織為珠光體+鐵素體，存在較嚴重枝晶組織。圖17為斷裂源區組織，組織為鐵素體+珠光體，存在嚴重枝晶組織，晶粒度≥8級。

（3）化學成分檢測 化學成分分析結果見表1，參照GB/T 3203—2016標準（滲碳軸承鋼），對化學成分的檢測值和標準值進行了對比，齒輪軸檢測結果基本符合標準規定。

圖8 斷口二次電子像

圖9 斷口缺陷二次電子像

圖10 低倍組織

圖11 低倍組織（軸向）

圖12 斷裂源區低倍組織

圖13 非金屬夾雜物（100×）

圖14 齒根部滲碳淬硬層組織

圖15 距齒根表層30mm組織

（4）力學性能檢測 在軸心斷裂源區附近沿徑向截取了力學性能試樣，檢測結果見表2，參照標準中引用的 GB/T 3203—2016材料牌號（G20CrNi2Mo），強度測量值偏低，這與取樣位置有關（標準值為縱向取樣，且是經淬火+200℃回火后的值）。滲碳淬硬層硬度梯度檢測結果見表3，滲碳淬硬層深度約為3.0mm。距齒根表面調質層硬度梯度檢測結果見表4。

二、檢測結果分析與結論

（1）參照GB/T 3203—2016（滲碳軸承鋼）標準評定，齒輪軸化學成分基本符合標準相關規定。

（2）在齒輪軸心部斷裂源區附近截取了徑向試樣（拉伸及沖擊），檢測結果顯示，沖擊值滿足技術條件規定，說明材料具有較好的韌性。強度偏低有兩方面原因：一是標準試樣為直徑25mm的檢測值，而該齒輪軸直徑為579mm。二是應與橫向取樣及取樣時更靠近軸心部有關（JB/T5000.8—2007標準規定的取樣位置為距表面1/3半徑處）；齒輪軸的齒部滲碳淬火層深度及硬度略低于標準要求。

（3）由齒輪軸表面至心部金相組織檢測結果顯示，基體組織無異常，齒輪軸枝晶組織較嚴重，特別是斷裂源附近更為嚴重，說明在鍛造過程中枝晶組織未得到有效的改善，在允許的情況下可適當增大鍛造比。枝晶組織嚴重時會不同程度地降低材料的力學性能。

圖16 距齒根表層150mm組織

圖17 斷裂源區組織

表1 化學成分（質量分數）檢測結果 （%）

表2 力學性能檢測結果與參考值對照

表3 滲碳淬硬層硬度梯度檢測結果

表4 距齒根表面調質層硬度梯度檢測結果

（4）齒輪軸顯示瞬時（一次性）脆性斷裂特征，斷裂源區在齒輪軸心部偏離軸心區域。該處存在肉眼可見夾雜物缺陷，且枝晶組織嚴重，說明該部位是齒輪軸的薄弱區域，易引發應力集中導致的開裂。

（5）齒輪軸是在設備運行過程中斷裂，且使用時間約12個月。

根據齒輪軸為突發一次性斷裂的特點分析，其斷裂時應存在兩種情況：①斷裂源區承受較大應力作用，該應力可排除齒輪軸制造過程中所能殘留的組織應力、熱應力等應力作用；也可排除使用過程所形成的熱應力及齒輪軸旋轉所形成的扭轉應力作用。由于齒輪軸運行現場無法提供有效的監控記錄及相關數據，因此無法更精準地判斷軸心應力的來源。②斷裂源區相對薄弱。

通過上述分析得出以下結論：齒輪軸心部存在夾雜物及枝晶缺陷，在設備運行過程中，當軸心承受較大應力作用時，在薄弱部位引發了瞬時脆性斷裂。

三、熱加工工藝改進

引起齒輪軸斷裂的原因很多，僅從熱加工專業著手，通過提高鍛件質量、增加鍛后正火工序、增加滲碳前預備熱處理（粗銑齒后調質）工序，以及調整滲碳淬火工藝參數等手段，提高熱加工工藝效果，能保證產品質量。