小齒輪軸失效分析及工藝改進(jìn)

■ 齊永豐，劉 蘋，張玉光

球磨機(jī)是在礦山、冶金、建材、水泥、化工及電力等基礎(chǔ)工業(yè)部門中廣泛使用的粉碎機(jī)械設(shè)備。小齒輪件是傳動(dòng)裝置上的關(guān)鍵部件，小齒輪與小齒輪軸為分體式，采用鍵聯(lián)接方式。

1. 小齒輪軸基本信息

某公司小齒輪軸材質(zhì)選用40CrMnMo鋼，規(guī)格為φ420mm×2760mm，凈重1965kg，經(jīng)鍛造、粗車、無損檢測、調(diào)質(zhì)（硬度228～269HBW）、精車、銑鍵槽等工序加工而成，鍛造及熱處理質(zhì)量直接影響小齒輪軸的使用壽命。

該小齒輪軸于2016年開始使用，運(yùn)行約14個(gè)月時(shí)斷裂，斷裂位置在軸與齒輪結(jié)合區(qū)域內(nèi)，如圖1箭頭所示。為查找該小齒輪軸斷裂的主要原因，對(duì)其進(jìn)行了化學(xué)成分分析、金相組織觀察、斷口組織觀察和力學(xué)性能測試等。

圖1 小齒輪軸示意

圖2 小齒輪部正常工作狀態(tài)

圖3 斷裂小齒輪軸（拆卸現(xiàn)場）

圖4 斷裂小齒輪軸

圖5 取樣部位示意

小齒輪正常工作狀態(tài)如圖2所示。斷裂小齒輪軸宏觀形貌如圖3、圖4所示，小齒輪軸沿徑向斷裂，斷裂部位在小齒輪內(nèi)，距齒輪端面約100mm處，斷口邊緣及齒輪內(nèi)表面磨損嚴(yán)重（見圖4箭頭）。齒輪外表面未見明顯磕碰傷、變形等異常情況。在斷裂小齒輪軸上取樣（取樣部位見圖5），分別進(jìn)行斷口、金相組織、化學(xué)成分、力學(xué)性能等檢測。

2. 斷口檢測

（1）斷口宏觀檢測 對(duì)應(yīng)面斷口宏觀形貌如圖6、圖7所示。斷口平齊，邊緣及附近區(qū)域無宏觀塑性變形，顯示脆性斷裂特征。斷口靠外沿大部分區(qū)域（約占周長的2/3）磨損嚴(yán)重，磨痕沿圓周方向呈帶狀分布，摩擦熱還導(dǎo)致磨損面呈藍(lán)黑色，是小齒輪軸斷裂瞬間系統(tǒng)仍繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)所致。正常斷面十分光滑，有黑色油污，隱約可見呈不同方向擴(kuò)展的貝紋線花樣，由此可按三個(gè)方向追溯其斷裂源所在位置產(chǎn)生于軸的外表面，為多源疲勞斷裂。圖7是唯一未受嚴(yán)重磨損的斷裂源區(qū)域（部分磨損）的宏觀形貌，斷裂源位于軸外表面（見圖5及圖7箭頭處），斷裂源區(qū)及附近除側(cè)面小凹坑外（見圖8箭頭處），未見其他宏觀缺陷。

（2）斷口微觀檢測 用掃描電鏡觀察了斷口微觀形貌，如圖9所示。斷裂源區(qū)在齒輪軸外表面，斷面磨痕明顯，斷裂擴(kuò)展區(qū)隱約可見疲勞輝紋。

圖6 小齒輪軸斷口

圖7 一處斷裂源區(qū)宏觀形貌

圖8 一處斷裂源側(cè)面宏觀形貌

圖9 斷口二次電子像

圖10 低倍組織

3. 金相組織檢測

（1）低倍組織檢測 分別沿徑向和軸向截取了始于斷口的低倍檢測樣品，低倍組織檢測結(jié)果如圖10所示。圖中右側(cè)均為軸的斷裂面。依據(jù)GB/T 1979—2001標(biāo)準(zhǔn)低倍組織評(píng)定為一般疏松0.5級(jí)，一般斑點(diǎn)狀偏析1.5級(jí)，無其他低倍組織缺陷。軸向樣品斷口處存在深約2mm的小裂紋，如圖10b箭頭所示。從軸外表面至心部均可見嚴(yán)重的枝晶組織，調(diào)質(zhì)層較淺，調(diào)質(zhì)層深度約為50mm。

（2）金相檢測 圖11為小齒輪軸非金屬夾雜物檢測結(jié)果，參照GB/T 10561—2005標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定為：A類0級(jí)，B類粗系1級(jí)，C類0級(jí)，D類粗系1.5級(jí)，DS類1.5級(jí)。 圖12～圖14為齒輪軸軸向由表層至150mm處金相組織；圖15～圖17為齒輪軸徑向由表層至150mm處金相組織。由表面至心部均可見嚴(yán)重枝晶組織，軸向觀察枝晶組織趨于帶狀。外表面組織為回火索氏體＋少量鐵素體；距表面50mm處組織為珠光體＋鐵素體＋回火索氏體；距表面150mm處組織為珠光體＋鐵素體。心部組織晶粒度：8級(jí)。

圖11 非金屬夾雜物（100×）

圖12 表層組織（軸向）

圖13 距表層50mm組織（軸向）

圖14 距表層150mm組織（軸向）

圖15 表層組織（徑向）

圖16 距表層50mm組織（徑向）

圖17 距表層150mm組織（徑向）

4. 化學(xué)成分檢測

化學(xué)成分檢測結(jié)果如表1所示，參照J(rèn)B/T 6396—2006標(biāo)準(zhǔn)《大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件 技術(shù)條件》，對(duì)化學(xué)成分的檢測值和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行了對(duì)比，小齒輪軸檢測結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)中40CrMnMo鋼的規(guī)定。

5. 力學(xué)性能檢測

從小齒輪軸外表面沿徑向截取了力學(xué)性能試樣，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6396—2006中40CrMnMo鋼的規(guī)定，按相關(guān)條款對(duì)橫向截取力學(xué)性能樣品的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行了修正，檢測結(jié)果如表2所示。檢測與規(guī)定值的比對(duì)結(jié)果顯示，屈服強(qiáng)度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，較標(biāo)準(zhǔn)值低。小齒輪軸硬度梯度檢測結(jié)果如表3所示，符合圖樣技術(shù)條件要求。

6. 檢測結(jié)果分析與結(jié)論

（1）斷裂小齒輪軸化學(xué)成分無異常，符合相關(guān)技術(shù)條件規(guī)定。依據(jù)JB/T 6396—2006標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)力學(xué)性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行了修正，在小齒輪軸徑向取樣的力學(xué)性能檢測結(jié)果中，抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率、斷面收縮率、沖擊吸收能量及硬度合格，屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求，該結(jié)果可能與徑向取樣的影響有關(guān)。

（2）金相組織檢測結(jié)果顯示，小齒輪軸由表面至心部均可見嚴(yán)重枝晶偏析組織，說明枝晶組織并未在鍛造過程中得以消除或改善。枝晶組織是合金在凝固過程中由于碳或其他合金元素偏聚而導(dǎo)致的材料基體組織不均勻現(xiàn)象，會(huì)使材料的力學(xué)性能降低，影響構(gòu)件的疲勞壽命。此外，小齒輪軸調(diào)質(zhì)層較淺，也會(huì)對(duì)軸的使用壽命產(chǎn)生影響。

（3）小齒輪軸斷裂部位在齒輪內(nèi)距端面100mm處的軸齒結(jié)合區(qū)，該部位并非軸的鍵槽所在位置或其他應(yīng)力集中區(qū)域。斷裂源產(chǎn)生于小齒輪軸外表面，為多源斷裂，斷裂源區(qū)未見明顯宏觀缺陷，說明斷裂部位是軸的薄弱區(qū)域。

通過上述分析得出以下結(jié)論：小齒輪軸存在嚴(yán)重枝晶組織，降低了材料的力學(xué)性能；調(diào)質(zhì)層較淺，對(duì)疲勞性能也有一定影響。小齒輪軸已使用一年有余，但由于其疲勞壽命不高，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，不斷承受交變外應(yīng)力作用時(shí)，在軸表面薄弱部位萌生了多個(gè)疲勞源，引發(fā)了小齒輪軸的多源疲勞斷裂。

7. 熱加工工藝改進(jìn)

（1）鍛件用鋼應(yīng)采用堿性電爐冶煉，也可采用保證質(zhì)量的其他方法冶煉。

（2）提高鍛件質(zhì)量，確保鍛件無縮孔和嚴(yán)重的偏析，鍛件應(yīng)在有足夠噸位的鍛壓設(shè)備上鍛造成形，確保鍛透和組織均勻。毛坯鍛造后，還應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)備熱處理，如增加鍛后正火、退火工藝，以改善組織，消除鑄態(tài)組織對(duì)工件疲勞強(qiáng)度的影響。

（3）調(diào)質(zhì)過程中，根據(jù)每件小齒輪軸的具體化學(xué)成分制訂調(diào)質(zhì)工藝，并要求嚴(yán)格執(zhí)行熱處理工藝。工件擺放在加熱爐的均溫區(qū)，加熱應(yīng)盡量均勻，以減少加熱時(shí)的熱應(yīng)力，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱。要保證加熱溫度和保溫時(shí)間，控制工件出爐入油速度，保證淬火冷卻介質(zhì)的冷卻能力，及時(shí)回火，并在回火出爐后校直。

（4）小齒輪軸屈服強(qiáng)度未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，可以適當(dāng)降低回火溫度，提高工件的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，以滿足小齒輪軸的使用要求。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢測結(jié)果 （%）

表2 力學(xué)性能檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)照

表3 距小齒輪軸表面硬度梯度檢測結(jié)果