摘 要:某型礦車電動(dòng)輪上的雙聯(lián)行星輪在運(yùn)行過程中發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、掃描電鏡分 析、金相檢驗(yàn)、硬度測試等方法分析了該行星輪斷裂的原因。結(jié)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(kuò)展,最終導(dǎo)致行星輪發(fā)生斷裂。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)07-0064-04

齒輪是重要傳動(dòng)部件,廣泛應(yīng)用于汽車、船舶等 領(lǐng)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(jié)構(gòu)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(gè)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(dòng)過程中,次表層承受著周期性的赫茲應(yīng) 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(diǎn)蝕、折 齒、變形等[3-7]。

某雙聯(lián)行星輪在運(yùn)行過程中發(fā)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(jì)運(yùn)行時(shí)間僅為3000h。筆者采用一系列理 化檢驗(yàn)方法對該行星輪斷齒的原因進(jìn)行分析,以避免該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

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(gè)幾乎垂直的斷口,分別為裂紋沿齒底徑向擴(kuò)展形成的斷口1和沿周向擴(kuò)展形成的斷口2。根據(jù)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(jìn)行宏觀觀察,結(jié)果如圖 3所示。由圖3可知:斷裂面包括較為平滑的1區(qū) 和放射線粗大的2區(qū),斷口2為1區(qū)末端發(fā)生二次 擴(kuò)展所致;根據(jù)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(jìn)行觀 察,結(jié)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(qū)由尺寸約為2μm~5μm(直徑)的細(xì)小氧化鋁顆粒聚集而成。

對裂紋源處進(jìn)行面掃描分析,結(jié)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(yàn)

在斷口處取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)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(xiàn)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(shù) 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(yàn)結(jié)果可知:雙聯(lián)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(xù)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(tuán)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(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)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(dá) 到了宏觀可見的尺寸。根據(jù)行星輪的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,齒 根彎曲疲勞的最大彎矩應(yīng)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(nèi)的硬 度、強(qiáng)度較高,對缺陷較敏感。氧化鋁夾雜物是脫氧 產(chǎn)物,屬于冶金缺陷。對于行星輪等需要表面硬化 的產(chǎn)品而言,當(dāng)缺陷位于硬化層內(nèi)時(shí),行星輪的疲勞 壽命將極大地縮短,當(dāng)缺陷尺寸足夠大時(shí),即使其出 現(xiàn)在硬化層下方,也將以缺陷處為裂紋源發(fā)生疲勞 擴(kuò)展,直至構(gòu)件斷裂。

3 結(jié)論與建議

雙聯(lián)行星輪發(fā)生了疲勞斷裂,斷裂原因?yàn)?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(fā)生疲勞擴(kuò)展,最終導(dǎo)致 行星輪發(fā)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(shù)量,在鋼液凝固時(shí)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(nèi)大尺寸的非金屬夾雜物充 分破碎。

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<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊>59卷>7期(pp:64-67)>