減速機(jī)軸齒失效分析

周惠芳，李寧，金一晨，秦曉光，邸帆，趙金銘

石家莊鋼鐵有限責(zé)任公司 河北石家莊 050100

1 序言

某公司在加工減速機(jī)軸齒過程中，發(fā)現(xiàn)一減速機(jī)軸齒存在孔洞缺陷，軸齒材料為16MnCrS5+H，加工工藝為：鋸切下料→車削→滾齒→銑削端部（自動(dòng)一次成形）等。本文通過宏觀檢查、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)及掃描電子顯微鏡分析等方法，確定軸齒缺陷產(chǎn)生的原因，以便后續(xù)有針對(duì)性地采取改進(jìn)措施。

2 宏觀檢查

目視觀察減速機(jī)軸齒存在孔洞缺陷，缺陷宏觀形貌如圖1所示，該缺陷距離端部30～40mm，長(zhǎng)×寬×深約為9mm×5mm×5mm，底部呈錐形并有一定傾角，內(nèi)壁光滑。

圖1 減速機(jī)軸齒缺陷形貌

3 失效分析

3.1 化學(xué)成分分析

軸齒材料16MnCrS5+H，在缺陷樣品上取樣進(jìn)行光譜檢驗(yàn)，該材料化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)要求和軸齒的化學(xué)成分分析見表1，結(jié)果符合要求。

表1 化學(xué)成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3.2 金相檢驗(yàn)

取圖1a中白線所示位置的橫截面為金相面進(jìn)行檢驗(yàn)，缺陷位置存在異常貝氏體組織，寬度約為1.5mm，如圖2所示；缺陷表面存在一處異物鑲嵌，經(jīng)4%硝酸酒精試劑腐蝕后異物未被腐蝕，周圍基體組織為貝氏體，如圖3、圖4所示；正?；w和正常軸齒尖部組織均為鐵素體+珠光體[1]，如圖5所示。

圖2 缺陷位置金相組織（200×）

圖3 缺陷邊緣鑲嵌物形貌和金相組織（200×）

圖4 缺陷邊緣至基體過渡區(qū)金相組織（200×）

圖5 正?；w和正常軸齒尖部金相組織（200×）

將樣品向缺陷底部進(jìn)行解剖分析，缺陷周邊有異常貝氏體組織，缺陷內(nèi)沿異常組織較深，約為2.5mm，缺陷外沿約1mm，缺陷內(nèi)沿一側(cè)存在異物附著，且存在一個(gè)約0.1mm的凸起，內(nèi)有附著物，缺陷周圍組織未發(fā)現(xiàn)脫碳，如圖6所示；正?；w組織為鐵素體+珠光體，如圖7所示。

圖6 解剖分析缺陷位置形貌和金相組織（200×）

圖7 正?；w組織（200×）

3.3 SEM掃描電子顯微鏡形貌分析

對(duì)鑲嵌異物及缺陷周邊進(jìn)行SEM掃描電子顯微鏡分析，缺陷底部整體形貌如圖8a所示，缺陷底部存在大量微裂紋，由淺往深延展至底部翹皮部位，如圖8b和圖8c所示。

圖8 SEM掃描電子顯微鏡分析缺陷底部形貌

如圖9所示，對(duì)鑲嵌異物及缺陷周邊進(jìn)行能譜檢驗(yàn)，缺陷內(nèi)沿附著物及缺陷底部為氧化鐵；缺陷底部存在異物殘留，尺寸約0.47mm；異物組織與樣品基體組織有明顯不同，見表2。

表2 鑲嵌物能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

圖9 缺陷邊緣和底部鑲嵌物形貌

對(duì)疑似刀具進(jìn)行SEM掃描電子顯微鏡分析，成分基本與鑲嵌物一致，見表3?，F(xiàn)場(chǎng)跟蹤減速機(jī)軸齒加工工藝，發(fā)現(xiàn)加工過程中所使用的刀具與缺陷相似[2，3]，如圖10所示。

圖10 刀具

表3 刀具能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

4 結(jié)束語

綜上所述，減速機(jī)軸齒缺陷表面和內(nèi)部均殘余少量異物嵌入，與樣品基體成分明顯不同，周邊組織為貝氏體，凹坑周邊無明顯脫碳，內(nèi)側(cè)內(nèi)沿有一層氧化鐵附著，缺陷底部存在大量微裂紋，由淺往深延展至底部翹皮部位。

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加工工藝跟蹤時(shí)發(fā)現(xiàn)，有一款刀具形貌跟用戶缺陷位置接近，且刀具成分與缺陷處鑲嵌物成分一致，可確定鑲嵌物為刀具鑲嵌至材料所致，可能為機(jī)械加工數(shù)控設(shè)備刀具行程中出現(xiàn)異常所導(dǎo)致。

金屬零件在加工時(shí)，由于刀具材料、形狀、幾何角度及切削參數(shù)等因素影響，會(huì)導(dǎo)致被加工零件產(chǎn)生切削變形等缺陷。依據(jù)宏觀形貌、高倍組織以及能譜檢驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合減速機(jī)軸齒加工工藝跟蹤情況，可以有針對(duì)性地提出改進(jìn)措施，關(guān)注機(jī)加工刀具運(yùn)行異常情況，關(guān)注刀具質(zhì)量，避免因加工工藝影響質(zhì)量。