齒輪軸起到傳遞動(dòng)力的作用,在驅(qū)動(dòng)裝置中往往有至關(guān)重要的作用,作為一個(gè)高轉(zhuǎn)速、少支承的旋轉(zhuǎn)體,在動(dòng)平衡中穩(wěn)定工作是維持整體構(gòu)件安全運(yùn)行的前提保障。軸斷裂引起的事故時(shí)有發(fā)生,斷裂原因包括：過載運(yùn)行、材質(zhì)不合格、超出使用壽命期限、應(yīng)力集中造成疲勞斷裂、加工缺陷等。對(duì)斷裂軸進(jìn)行失效原因分析,并及時(shí)提出改進(jìn)措施,保障減速器正常穩(wěn)定運(yùn)行,具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。
某減速器齒輪軸在運(yùn)行不到1年發(fā)生了斷裂, 齒輪軸工作時(shí)間低于設(shè)計(jì)使用壽命。本文結(jié)合設(shè)備使用情況、環(huán)境等特點(diǎn),通過物理、化學(xué)、力學(xué)等綜合分析手段分析了該齒輪軸失效斷裂的原因。
一、試驗(yàn)材料和方法
斷裂減速器包括齒輪軸部分和電機(jī)部分,齒輪軸斷裂部分帶齒,見圖1。應(yīng)用 ARL-460直讀光譜對(duì)試樣進(jìn)行了化學(xué)成分檢驗(yàn)。應(yīng)用Olympus GX71光學(xué)顯微鏡、FEIQuantaFEG450掃描電鏡對(duì)斷裂試樣的斷口形貌、微區(qū)成分、金相組織、EBSD 進(jìn)行了分析。應(yīng)用 FV-700維氏硬度計(jì)、iXRD-X 射線殘余應(yīng)力測(cè)試儀對(duì)試樣硬度和殘余應(yīng)力進(jìn)行分析。應(yīng)用 HY2050型豪克能焊接應(yīng)力消除裝置進(jìn)行超聲沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)。
二、試驗(yàn)結(jié)果與討論
化學(xué)成分
運(yùn)用化學(xué)直讀光譜對(duì)材料化學(xué)成分進(jìn)行分析, 齒輪軸成分見表 1,從成分可知,該材質(zhì)成分符合 GB/T3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中 40Cr的成分范圍。
微觀分析
斷口觀察:由圖1觀察,斷裂位于齒輪軸與電機(jī)鏈接的R角位置,根據(jù)實(shí)際工況判斷該部位應(yīng)力集中,整體斷口表現(xiàn)為類似花瓣?duì)铋_裂特征,每一齒分別開裂。對(duì)齒輪軸斷口進(jìn)行超聲清洗后在掃描電鏡下觀察形貌,可觀察到斷口均由齒輪軸表面起裂,沿徑向向內(nèi)部擴(kuò)展,斷口起裂附近斷面上存在明顯的疲勞弧線以及高溫氧化特征,氧化產(chǎn)物中存在含 S 等腐蝕性元素,形貌和成分見圖2、圖3。
低倍檢驗(yàn)和高倍觀察:取斷口附近和遠(yuǎn)離斷口的齒輪軸圓截面加工成低倍樣,按國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 226-2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法》進(jìn)行低倍檢驗(yàn),取斷裂附近截面部分制備金相樣,在光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡下觀察。可觀察到齒輪軸斷面未見明顯的低倍冶金缺陷,斷口附近截面觀察到多源起裂,裂紋由齒底起裂向中心延伸,裂紋擴(kuò)展過程中分叉,與其他齒底產(chǎn)生裂紋匯合,從而形成斷面,在裂紋中發(fā)現(xiàn)與斷口表面氧化產(chǎn)物成分一致的腐蝕產(chǎn)物,見圖4~圖5。
金相組織和 EBSD 分析:斷口截面金相樣經(jīng) 3%硝酸酒精浸蝕后觀察金相組織,裂紋起源于齒底,起裂區(qū)及裂紋附近組織均為回火索氏體+少量貝氏體組織,材料進(jìn)行過調(diào)質(zhì)處理,見圖6。EBSD 分析結(jié)果表明,裂紋起裂部位和擴(kuò)展區(qū)域的晶粒取向無明顯的織構(gòu)特征,晶粒尺寸亦無明顯差異,試樣的有效晶粒尺寸為2.41μm,材料強(qiáng)度較高,見圖6。40Cr合金結(jié)構(gòu)鋼,一般經(jīng)過淬火及中溫回火后用于制造承受高負(fù)荷、沖擊及中等速度工作的零件,如齒輪、主軸等。該回火索氏體組織與材料的調(diào)質(zhì)處理工藝一致。
分析與討論
該減速器是鋼卷運(yùn)輸帶的一部分,且位于運(yùn)輸?shù)谝粋€(gè)轉(zhuǎn)向部位,存在使用頻率高、環(huán)境溫度高(負(fù)載鋼卷在500℃~600℃)等特點(diǎn)。從上面微觀分析可知,在高溫工業(yè)大氣環(huán)境下,溫度升高,設(shè)備零部件強(qiáng)度隨之下降,在較高頻率的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)下,裂紋更加容易在應(yīng)力集中的 R 角部位萌生,隨著減速器運(yùn)行,產(chǎn)生疲勞開裂。
針對(duì)上面原因分析,提出了應(yīng)用表面強(qiáng)化技術(shù)來對(duì)現(xiàn)有的備件進(jìn)行強(qiáng)化,延長使用壽命。表面強(qiáng)化技術(shù),主要有噴丸強(qiáng)化、滾壓強(qiáng)化、感應(yīng)淬火以及超聲沖擊等,這些方法具有良好的強(qiáng)化效果。超聲沖擊技術(shù)作為一種有效的表面強(qiáng)化方法,可以使金屬表面產(chǎn)生彈塑性變形,晶粒減小,硬度增加,同時(shí)改變表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)、提高金屬的疲勞壽命和腐蝕性能,因此可把超聲沖擊技術(shù)應(yīng)用于齒輪軸的表面強(qiáng)化上,提高其綜合力學(xué)性能。
選取齒輪軸截面樣品,表面打磨光潔,按圖7中沿3個(gè)半徑方向分布布置近表面、半徑1/3位置、半徑2/3位置被側(cè)點(diǎn)位。為了考慮超聲沖擊設(shè)備、試樣表面粗糙度等因素對(duì)于硬度、殘余應(yīng)力等試驗(yàn)結(jié)果的影響,因此每個(gè)電流下測(cè)試3點(diǎn),取平均值。3 個(gè)半徑線上超聲沖擊設(shè)定不同的沖擊能量,輸入電流分別為:點(diǎn)位1、2、3對(duì)應(yīng)電流1.5A,點(diǎn)位4、5、6 對(duì)應(yīng)電流1A,點(diǎn)位7、8、9對(duì)應(yīng)電流2A。在超聲沖擊應(yīng)力調(diào)控前后分別測(cè)試了9個(gè)被側(cè)點(diǎn)位的維氏硬度 HV1,并依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式換算了調(diào)控前后的抗拉強(qiáng)度Rm,見圖8。同步還測(cè)試了超聲沖擊應(yīng)力調(diào)控前后9個(gè)被側(cè)點(diǎn)位的表面殘余應(yīng)力,見圖9。
由圖8可知,超聲沖擊處理后齒輪軸材料的表面硬度和強(qiáng)度都有顯著提升。超聲處理電流 1A、1.5A和 2A,調(diào)控前后強(qiáng)度提升的幅度分別為 12.5%、27.9%、61.2%。單點(diǎn)強(qiáng)度最大增幅由1026MPa增加至1842MPa,超聲沖擊表面強(qiáng)化效果顯著。
由圖9可知,超聲沖擊前齒輪軸截面均存在壓縮殘余應(yīng)力,且各測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果有較好的一致性, 說明齒輪軸出廠前也進(jìn)行了熱處理應(yīng)力調(diào)控且沿截面由內(nèi)向外調(diào)控應(yīng)力較為均勻。超聲沖擊后,法向殘余應(yīng)力的增幅大于切向殘余應(yīng)力，但考慮抵抗扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力造成的疲勞斷裂,切向殘余壓應(yīng)力的增幅可起到阻礙裂紋萌生,延長齒輪軸使用壽命的功效, 統(tǒng)計(jì)超聲處理電流1A、1.5A 和2A,對(duì)應(yīng)切向殘余應(yīng)力增幅平均值分別為57.9%、79.1%和109.9%, 單點(diǎn)最大殘余應(yīng)力增幅由-243MPa至-540MPa。在后期齒輪軸使用過程中,由于增加了約300MPa 的殘余壓應(yīng)力,因此要發(fā)生扭轉(zhuǎn)疲勞破壞承受的外部載荷(譬如鋼卷自重、齒輪軸扭矩、熱應(yīng)力等)需要在原有工況下再增加300MPa才會(huì)發(fā)生。
齒輪軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)疲勞破壞的臨界條件是:外部載荷P≥扭轉(zhuǎn)疲勞極限 Pmax,且達(dá)到該外部載荷對(duì)應(yīng)服役疲勞壽命(服役時(shí)間)。超聲沖擊應(yīng)力調(diào)控的兩項(xiàng)作用分別是表面強(qiáng)化和預(yù)制壓應(yīng)力場(chǎng)。表面強(qiáng)化對(duì)材料自身強(qiáng)度提升在50~800MPa不等,預(yù)制壓應(yīng)力場(chǎng)對(duì)材料承載能力的容限增加在 120~ 300MPa不等。這兩項(xiàng)作用可以從提升材料變形抗力和抑制疲勞裂紋萌生,都可以提升扭轉(zhuǎn)疲勞極限 Pmax,從兩個(gè)角度實(shí)現(xiàn)齒輪軸延壽。但還得考慮不同沖擊能量對(duì)齒輪軸表面粗糙度的影響,粗糙度的增加會(huì)增加應(yīng)力集中系數(shù),對(duì)外部載荷 P 有放大作用,不利于延壽,應(yīng)盡量減少粗糙度的增加。從上面分析結(jié)果,建議選用參數(shù)1.5A 沖擊電流實(shí)施實(shí)物超聲沖擊應(yīng)力調(diào)控,并在現(xiàn)場(chǎng)裝配驗(yàn)證延壽效果。
三、結(jié)論
本文對(duì)減速器齒輪軸的斷裂失效行為進(jìn)行了研究,主要結(jié)果如下:
(1)開裂起源及裂紋附近組織為回火索氏體+少量貝氏體組織,低倍檢驗(yàn)未見明顯冶金缺陷,化學(xué)成分符合40Cr的國家標(biāo)準(zhǔn)要求。
(2)斷裂位于齒輪軸與電機(jī)鏈接的應(yīng)力集中 R 角位置,裂紋由齒底起裂向中心延伸,各齒底裂紋擴(kuò)展過程中匯合,形成斷面。
(3)斷口存在明顯的疲勞弧線以及高溫腐蝕氧化特征。
結(jié)論：該齒輪軸的化學(xué)成分、金相組織以及低倍檢驗(yàn)結(jié)果均符合材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)要求。在高溫高頻率旋轉(zhuǎn)條件下,齒輪軸在應(yīng)力集中的 R 角位置高溫扭轉(zhuǎn)疲勞開裂。根據(jù)分析結(jié)果,提出了改進(jìn)措施:運(yùn)用超聲沖擊應(yīng)力調(diào)控技術(shù),對(duì)現(xiàn)有的備件的齒輪軸 R 角部位進(jìn)行超聲沖擊,使該部位表面強(qiáng)度提升,并形成預(yù)制壓應(yīng)力場(chǎng),從而增加抵抗扭轉(zhuǎn)疲勞能力,并減緩疲勞裂紋萌生。建議開展超聲沖擊應(yīng)力調(diào)控技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試用,摸索合理工藝并推廣。
參考文獻(xiàn)略.