圖 1 斷裂齒輪軸宏觀形貌
分享：挖掘機(jī)齒輪軸斷裂原因
齒輪傳動(dòng)是機(jī)器中最常見(jiàn)的一種機(jī)械運(yùn)動(dòng),可實(shí)現(xiàn)改變轉(zhuǎn)速、運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)形式等功能,是機(jī)械產(chǎn)品的基礎(chǔ)零部件[1],齒輪軸是齒輪的重要組成構(gòu)件,其質(zhì)量決定整個(gè)齒輪的使用壽命。某齒輪軸主要用作挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)馬達(dá)減速機(jī)的輸出軸,其材料為20CrMnTi鋼,該齒輪軸經(jīng)過(guò)鍛造、熱處理、機(jī)械加工后,再對(duì)其進(jìn)行磁粉檢測(cè),結(jié)果未發(fā)現(xiàn)裂紋,齒輪軸投入使用約530 h后斷裂。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、掃描電鏡(SEM)分析以及金相檢驗(yàn)等方法對(duì)齒輪軸斷裂的原因進(jìn)行了分析,以防止該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
斷裂齒輪軸的宏觀形貌如圖1所示。在齒輪軸斷裂處截取試樣,將試樣清洗后,再對(duì)試樣進(jìn)行觀察,齒輪軸斷口宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：斷口可見(jiàn)明顯的擦傷及疲勞貝紋線(xiàn),貝紋線(xiàn)收斂于齒輪軸表面；裂紋源區(qū)斷口呈灰暗色,無(wú)明顯金屬光澤,可見(jiàn)齒輪發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的磨損,整個(gè)斷口符合疲勞斷裂的宏觀形貌特征。
圖 2 齒輪軸斷口宏觀形貌
1.2 化學(xué)成分分析
對(duì)齒輪軸進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示,由表1可知：齒輪軸的化學(xué)成分符合GB/T 5216—2014 《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)20CrMnTi鋼的要求。
Table 1. 齒輪軸化學(xué)成分分析結(jié)果
| 項(xiàng)目 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ti | |
| 實(shí)測(cè)值 | 0.21 | 0.26 | 0.93 | 0.012 | 0.007 | 1.15 | 0.071 |
| 標(biāo)準(zhǔn)值 | 0.17～0.23 | 0.17～0.37 | 0.80～1.20 | ≤0.030 | ≤0.035 | 1.00～1.45 | 0.04～0.10 |
1.3 硬度測(cè)試及滲碳層分析
齒輪軸斷口處的硬度測(cè)試結(jié)果如表2所示,由表2可知：滲碳層深度為1.25 mm,結(jié)果不符合技術(shù)要求規(guī)定的1.8～2.0 mm。
Table 2. 齒輪軸斷口處的硬度測(cè)試結(jié)果
| 與表面距離/mm | 硬度/HV | 硬度/HRC |
|---|---|---|
| 0.10 | 659 | 58.2 |
| 0.30 | 656 | 58.0 |
| 0.50 | 652 | 57.9 |
| 0.70 | 631 | 56.8 |
| 0.90 | 615 | 56.0 |
| 1.10 | 560 | 52.9 |
| 1.20 | 558 | 52.8 |
| 1.30 | 541 | 51.8 |
1.4 SEM分析
將斷口試樣進(jìn)行超聲清洗,再將其置于掃描電子顯微鏡下觀察,斷口試樣的SEM形貌如圖3所示,由圖3可知：斷口磨損較為嚴(yán)重,可見(jiàn)擦傷及異物覆蓋；斷口擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)二次裂紋；斷口瞬斷區(qū)呈準(zhǔn)解理＋韌窩形貌特征。
圖 3 斷口試樣的SEM形貌
1.5 金相檢驗(yàn)
在斷裂源區(qū)截取金相試樣,經(jīng)處理后,將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,試樣拋光態(tài)形貌如圖4所示,測(cè)得源區(qū)附近的半徑為1.56 mm,而客戶(hù)提供的技術(shù)要求是2.50 mm,實(shí)際所測(cè)半徑小于技術(shù)要求,圓弧面不平滑。形狀尺寸發(fā)生突變會(huì)引起受力構(gòu)件局部范圍內(nèi)應(yīng)力增大[2],而齒輪軸斷裂源區(qū)的半徑偏小且圓弧面不平滑增大了該處的應(yīng)力集中程度。
圖 4 斷裂源區(qū)試樣拋光態(tài)形貌
將斷裂源區(qū)附近的剖面試樣腐蝕,再將其置于光學(xué)顯微鏡下觀察,其顯微組織為回火針狀馬氏體＋顆粒狀碳化物＋少量殘余奧氏體,為正常的滲碳淬回火組織[3],斷裂源區(qū)附近的剖面試樣微觀形貌如圖5所示。
圖 5 斷裂源區(qū)附近的剖面試樣微觀形貌
2. 綜合分析
斷裂齒輪軸的化學(xué)成分符合GB/T 5216—2014對(duì)20CrMnTi鋼的要求；其滲碳層深度為1.25 mm,低于技術(shù)要求規(guī)定的1.8～2.0 mm；斷裂齒輪軸的顯微組織為回火針狀馬氏體＋顆粒狀碳化物＋少量殘余奧氏體,為正常的滲碳淬回火組織。
斷口可見(jiàn)明顯的疲勞貝紋線(xiàn),呈疲勞斷裂特征,貝紋線(xiàn)收斂于齒輪軸表面,說(shuō)明齒輪軸的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂,斷裂起源于齒輪軸表面。斷口大部分區(qū)域有嚴(yán)重擦傷,無(wú)法觀察原始斷口形貌,少量未擦傷區(qū)域可見(jiàn)二次裂紋,為疲勞斷裂的微觀形貌特征,與宏觀分析結(jié)果相符。
齒輪軸滲碳層的深度不合格,滲碳層的高強(qiáng)度區(qū)面積減小,導(dǎo)致其半徑處抗疲勞性能降低,最終在齒輪軸的使用過(guò)程中,在應(yīng)力集中處萌生微裂紋,在后續(xù)的使用過(guò)程中,受交變應(yīng)力的作用,裂紋逐漸以疲勞形式擴(kuò)展。
3. 結(jié)論
齒輪軸半徑小于技術(shù)要求,圓弧不平滑,加上滲碳層的深度不合格,導(dǎo)致在應(yīng)力集中處萌生微裂紋,微裂紋以疲勞形式擴(kuò)展,最終導(dǎo)致齒輪軸斷裂。
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