摘 要:某型矿车电动轮上的双联行星轮在运行过程中发生断裂。采用宏观观察、扫描电镜分 析、金相检验、硬度测试等方法分析了该行星轮断裂的原因。结果表明:行星轮断齿处呈典型的疲 劳断裂特征;裂纹源位于距离齿根次表面约2mm位置,裂纹源处存在平行于齿宽方向的大尺寸纺 锤形氧化铝夹杂物,裂纹从该处萌生并扩展,最终导致行星轮发生断裂。
关键词:行星轮;疲劳断裂;氧化铝夹杂;有效硬化层
中图分类号:TB31;TG156.34 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)07-0064-04
齿轮是重要传动部件,广泛应用于汽车、船舶等 领域,在服役过程中主要承受齿根弯曲和齿面啮合 两种类型的载荷。齿轮结构如图1所示,其中齿根 弯曲是指齿条在啮合过程中可近似为一个小的悬臂 梁,齿根部位将承受最大的弯矩[1-2];齿面啮合是指 齿轮在传动过程中,次表层承受着周期性的赫兹应 力作用。齿轮较为常见的失效形式有齿根弯曲疲 劳、齿面接触疲劳、齿面磨损、电蚀、偏载、点蚀、折 齿、变形等[3-7]。
某双联行星轮在运行过程中发生断裂,行星轮 的材料为18CrNiMo7-6钢,热处理工艺为渗碳淬 火,累计运行时间仅为3000h。笔者采用一系列理 化检验方法对该行星轮断齿的原因进行分析,以避免该类问题再次发生。
1 理化检验
1.1 宏观观察
断裂行星轮的宏观形貌如图2所示,可见除断 齿部位外,齿条完好无损,未见异常;断齿处包括两 个几乎垂直的断口,分别为裂纹沿齿底径向扩展形成的断口1和沿周向扩展形成的断口2。根据T形 裂纹判断法可知,断口 1 为主断裂面,即首先开 裂处。
将断口1人工打开并进行宏观观察,结果如图 3所示。由图3可知:断裂面包括较为平滑的1区 和放射线粗大的2区,断口2为1区末端发生二次 扩展所致;根据放射线纹路可判断,裂纹源与行星轮 端面的距离约为22mm,与齿根次表面的距离约为 2mm;线状缺陷平行于齿宽方向,其长度约为1~ 2mm。
1.2 扫描电镜(SEM)分析
将断口整体清洗后,采用扫描电镜对其进行观 察,结果如图4所示。由图4可知:裂纹源与齿面的 垂直距离约为2.43mm,分布方向基本与齿宽方向平 行;裂纹源呈纺锤形,长度约为1.43mm,最大宽度约 为0.108mm,最小宽度约为10μm;裂纹源区由尺寸约为2μm~5μm(直径)的细小氧化铝颗粒聚集而成。
对裂纹源处进行面扫描分析,结果如图5所示, 可见裂纹源处的主要成分为氧化铝。
1.3 金相检验
在断口处取样进行金相检验,结果如图6所示。 由图6可知:裂纹源与齿面的距离约为2.35mm;裂 纹源处可见宽度约为100μm、深度约为20μm的坑 状缺陷,未观察到夹杂物聚集现象;裂纹源处的显微 组织与基体相同,均以回火马氏体为主,未见氧化、 脱碳等热处理缺陷。
1.4 硬度测试
齿底的显微硬度梯度曲线如图7所示,可见基 体的 硬 度 约 为 40 HRC,满 足 技 术 要 求 (30~ 42HRC);有效硬化层深度约为1.802mm,说明裂纹源位于有效硬化层下方约0.6mm位置。
2 综合分析
由上述理化检验结果可知:双联行星轮断齿处 呈典型的疲劳断裂特征,裂纹源与行星轮端面的距 离约为22mm、与齿根次表面的距离约为2mm,裂 纹源处可见平行于齿宽方向、长度约为1.43mm、最 大宽度约为0.108mm 的纺锤形氧化铝夹杂物聚集 缺陷。
钢中非金属夹杂物破坏了金属基体的连续性。 氧化铝夹杂物属于典型的脆性夹杂物,该类夹杂物 通常以团簇状的形式分布于金属基体中,在锻造或 轧制过程中,夹杂物与基体材料的变形情况不一致, 破碎后将沿着变形方向呈链条状分布。夹杂物大多 呈尖角状,会导致局部应力集中程度显著增大[8-12]。 该断裂行星轮中的夹杂物聚集分布,使缺陷轮廓达 到了宏观可见的尺寸。根据行星轮的设计准则,齿 根弯曲疲劳的最大弯矩应在齿根过渡圆弧表面,并 非齿底位置。夹杂物距离齿底次表层约2.43mm, 有效硬化层的深度约为1.802mm,硬化层内的硬 度、强度较高,对缺陷较敏感。氧化铝夹杂物是脱氧 产物,属于冶金缺陷。对于行星轮等需要表面硬化 的产品而言,当缺陷位于硬化层内时,行星轮的疲劳 寿命将极大地缩短,当缺陷尺寸足够大时,即使其出 现在硬化层下方,也将以缺陷处为裂纹源发生疲劳 扩展,直至构件断裂。
3 结论与建议
双联行星轮发生了疲劳断裂,断裂原因为:裂纹 源处存在沿齿宽方向平行分布的大尺寸氧化铝夹杂 物,裂纹从夹杂物处萌生并发生疲劳扩展,最终导致 行星轮发生断裂。
建议从源头上控制钢液冶炼浇注过程中的夹杂 物数量,在钢液凝固时使夹杂物尽量上浮到钢锭冒 口位置,制造过程中有效去除料头、料尾,并采用合 理的锻造工艺,将锻件内大尺寸的非金属夹杂物充 分破碎。
参考文献:
[1] 封楠.渐开线斜齿轮弯曲疲劳强度分析与试验方法研 究[D].北京:机械科学研究总院,2019.
[2] 刘本学,郭沛东,徐科飞,等.基于ANSYSWorkbench 的齿轮弯曲疲劳寿命分析[J].机械设计与制造,2018 (2):139-141.
[3] 王春亮,杨力,刘乐,等.齿轮的失效分析[J].理化检 验(物理分册),2007,43(7):366-369.
[4] 陈敢泽.齿轮常见的失效形式及预防[J].中国特种设 备安全,2008,24(10):46-49.
[5] 龚寄.齿轮失效分析及其故障诊断方法研究[J].装备 制造技术,2016(8):138-140.
[6] 曹渝,李平平,丁晓遥,等.20CrNi2Mo钢制齿轮表面 点坑状缺陷产生原因分析[J].理化检验(物理分册), 2019,55(10):737-740.
[7] 吴建华,李平平,梁雪冬,等.地铁列车从动齿轮表面 裂纹产生原因[J].理化检验(物理分册),2022,58 (6):63-65.
[8] 杨帅,张启飞,卢昀,等.氧化铝夹杂破碎与弥散行为 的试验研究[J].机械工程学报,2021,57(22):172- 183.
[9] 杨帅.钢中氧化铝夹杂锻造过程中破碎行为研究 [D].秦皇岛:燕山大学,2021.
[10] 李阳.钢中氧化铝类夹杂的形成机理和去除效果的基 础研究[D].马鞍山:安徽工业大学,2016.
[11] 周素霞,张昭,吴毅.内部夹杂物缺陷对EA4T车轴钢 裂纹萌生寿命的影响[J].铁道学报,2023,45(1):35- 41.
[12] 陈涛,易敏,丁宁,等.扫描电镜夹杂物自动分析功能 在钢材上的应用[J].冶金分析,2023,43(1):41-48.