齒輪軸起到傳遞動力的作用,在驅動裝置中往往有至關重要的作用,作為一個高轉速、少支承的旋轉體,在動平衡中穩定工作是維持整體構件安全運行的前提保障。軸斷裂引起的事故時有發生,斷裂原因包括：過載運行、材質不合格、超出使用壽命期限、應力集中造成疲勞斷裂、加工缺陷等。對斷裂軸進行失效原因分析,并及時提出改進措施,保障減速器正常穩定運行,具有較大的經濟效益。
某減速器齒輪軸在運行不到1年發生了斷裂, 齒輪軸工作時間低于設計使用壽命。本文結合設備使用情況、環境等特點,通過物理、化學、力學等綜合分析手段分析了該齒輪軸失效斷裂的原因。
一、試驗材料和方法
斷裂減速器包括齒輪軸部分和電機部分,齒輪軸斷裂部分帶齒,見圖1。應用 ARL-460直讀光譜對試樣進行了化學成分檢驗。應用Olympus GX71光學顯微鏡、FEIQuantaFEG450掃描電鏡對斷裂試樣的斷口形貌、微區成分、金相組織、EBSD 進行了分析。應用 FV-700維氏硬度計、iXRD-X 射線殘余應力測試儀對試樣硬度和殘余應力進行分析。應用 HY2050型豪克能焊接應力消除裝置進行超聲沖擊強化試驗。
二、試驗結果與討論
化學成分
運用化學直讀光譜對材料化學成分進行分析, 齒輪軸成分見表 1,從成分可知,該材質成分符合 GB/T3077-2015《合金結構鋼》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鏈接的R角位置,根據實際工況判斷該部位應力集中,整體斷口表現為類似花瓣狀開裂特征,每一齒分別開裂。對齒輪軸斷口進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,沿徑向向內部擴展,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。
低倍檢驗和高倍觀察:取斷口附近和遠離斷口的齒輪軸圓截面加工成低倍樣,按國家標準 GB/T 226-2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》進行低倍檢驗,取斷裂附近截面部分制備金相樣,在光學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,裂紋擴展過程中分叉,與其他齒底產生裂紋匯合,從而形成斷面,在裂紋中發現與斷口表面氧化產物成分一致的腐蝕產物,見圖4~圖5。
金相組織和 EBSD 分析:斷口截面金相樣經 3%硝酸酒精浸蝕后觀察金相組織,裂紋起源于齒底,起裂區及裂紋附近組織均為回火索氏體+少量貝氏體組織,材料進行過調質處理,見圖6。EBSD 分析結果表明,裂紋起裂部位和擴展區域的晶粒取向無明顯的織構特征,晶粒尺寸亦無明顯差異,試樣的有效晶粒尺寸為2.41μm,材料強度較高,見圖6。40Cr合金結構鋼,一般經過淬火及中溫回火后用于制造承受高負荷、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質處理工藝一致。
分析與討論
該減速器是鋼卷運輸帶的一部分,且位于運輸第一個轉向部位,存在使用頻率高、環境溫度高(負載鋼卷在500℃~600℃)等特點。從上面微觀分析可知,在高溫工業大氣環境下,溫度升高,設備零部件強度隨之下降,在較高頻率的不斷轉動下,裂紋更加容易在應力集中的 R 角部位萌生,隨著減速器運行,產生疲勞開裂。
針對上面原因分析,提出了應用表面強化技術來對現有的備件進行強化,延長使用壽命。表面強化技術,主要有噴丸強化、滾壓強化、感應淬火以及超聲沖擊等,這些方法具有良好的強化效果。超聲沖擊技術作為一種有效的表面強化方法,可以使金屬表面產生彈塑性變形,晶粒減小,硬度增加,同時改變表面的殘余應力狀態、提高金屬的疲勞壽命和腐蝕性能,因此可把超聲沖擊技術應用于齒輪軸的表面強化上,提高其綜合力學性能。
選取齒輪軸截面樣品,表面打磨光潔,按圖7中沿3個半徑方向分布布置近表面、半徑1/3位置、半徑2/3位置被側點位。為了考慮超聲沖擊設備、試樣表面粗糙度等因素對于硬度、殘余應力等試驗結果的影響,因此每個電流下測試3點,取平均值。3 個半徑線上超聲沖擊設定不同的沖擊能量,輸入電流分別為:點位1、2、3對應電流1.5A,點位4、5、6 對應電流1A,點位7、8、9對應電流2A。在超聲沖擊應力調控前后分別測試了9個被側點位的維氏硬度 HV1,并依據經驗公式換算了調控前后的抗拉強度Rm,見圖8。同步還測試了超聲沖擊應力調控前后9個被側點位的表面殘余應力,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度都有顯著提升。超聲處理電流 1A、1.5A和 2A,調控前后強度提升的幅度分別為 12.5%、27.9%、61.2%。單點強度最大增幅由1026MPa增加至1842MPa,超聲沖擊表面強化效果顯著。
由圖9可知,超聲沖擊前齒輪軸截面均存在壓縮殘余應力,且各測點的測量結果有較好的一致性, 說明齒輪軸出廠前也進行了熱處理應力調控且沿截面由內向外調控應力較為均勻。超聲沖擊后,法向殘余應力的增幅大于切向殘余應力，但考慮抵抗扭轉切應力造成的疲勞斷裂,切向殘余壓應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, 統計超聲處理電流1A、1.5A 和2A,對應切向殘余應力增幅平均值分別為57.9%、79.1%和109.9%, 單點最大殘余應力增幅由-243MPa至-540MPa。在后期齒輪軸使用過程中,由于增加了約300MPa 的殘余壓應力,因此要發生扭轉疲勞破壞承受的外部載荷(譬如鋼卷自重、齒輪軸扭矩、熱應力等)需要在原有工況下再增加300MPa才會發生。
齒輪軸發生扭轉疲勞破壞的臨界條件是:外部載荷P≥扭轉疲勞極限 Pmax,且達到該外部載荷對應服役疲勞壽命(服役時間)。超聲沖擊應力調控的兩項作用分別是表面強化和預制壓應力場。表面強化對材料自身強度提升在50~800MPa不等,預制壓應力場對材料承載能力的容限增加在 120~ 300MPa不等。這兩項作用可以從提升材料變形抗力和抑制疲勞裂紋萌生,都可以提升扭轉疲勞極限 Pmax,從兩個角度實現齒輪軸延壽。但還得考慮不同沖擊能量對齒輪軸表面粗糙度的影響,粗糙度的增加會增加應力集中系數,對外部載荷 P 有放大作用,不利于延壽,應盡量減少粗糙度的增加。從上面分析結果,建議選用參數1.5A 沖擊電流實施實物超聲沖擊應力調控,并在現場裝配驗證延壽效果。
三、結論
本文對減速器齒輪軸的斷裂失效行為進行了研究,主要結果如下:
(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,低倍檢驗未見明顯冶金缺陷,化學成分符合40Cr的國家標準要求。
(2)斷裂位于齒輪軸與電機鏈接的應力集中 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。
結論：該齒輪軸的化學成分、金相組織以及低倍檢驗結果均符合材質的標準要求。在高溫高頻率旋轉條件下,齒輪軸在應力集中的 R 角位置高溫扭轉疲勞開裂。根據分析結果,提出了改進措施:運用超聲沖擊應力調控技術,對現有的備件的齒輪軸 R 角部位進行超聲沖擊,使該部位表面強度提升,并形成預制壓應力場,從而增加抵抗扭轉疲勞能力,并減緩疲勞裂紋萌生。建議開展超聲沖擊應力調控技術現場試用,摸索合理工藝并推廣。
參考文獻略.