18CrNiMo7-6二级行星轮断齿原因分析_张凯.pdf

机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期MECHANICAL ENGINEER18CrNiMo7-6二级行星轮断齿原因分析张凯，齐玲（湖南南方宇航高精传动有限公司，湖南 株洲 412000）0引言18CrNiMo7-6是欧标合金结构钢材料，在国标中对应的材料牌号表示为17Cr2NiMo，是一种碳含量较低的优质结构钢。在成形后,对18CrNiMo7-6钢进行渗碳、淬火、回火热处理,可以获得具有高强度、高硬度和高耐磨性的钢件外表面和高韧性的心部,使钢件可承受交变载荷和冲击负荷1-4。18CrNiMo7-6钢有着良好的综合力学性能,经常应用于变速器齿轮传动件,并有着超高抗弯强度、低接触疲劳强度等优异特性。某风力发电齿轮箱用18CrNiMo7-6二级行星轮在风场工作过程中发现齿轮箱二级行星轮有断齿现象，本文对其断裂原因进行分析。1检验过程与结果1.1外观检查外观质量是指产品外表状况和满足使用者要求的程度。本文研究的二级行星轮整体外观如图1所示，经目视检查，该二级行星轮轮齿存在不同程度的断裂掉块，齿面均存在明显的挤压损伤。其中，2个轮齿（共47个轮齿）在齿根部位断裂掉块，典型照片如图2所示，7个轮齿在靠齿顶部位断裂掉块，典型照片如图3所示。1.2磁粉探伤检查磁粉探伤法,是指利用磁粉检测材料在缺口附近漏磁场中的堆积而测定铁磁性材料表层及近表面处缺陷程度的一种无损性测定方式。该检测方式对金属材质工件表面裂纹等问题的测定十分高效,具有装置简单、检测速度快、检测费用比较低廉、显示直观等优势,有利于在现场对大型机械设备和工件进行检测按 ISO 6336-52016 ME对该二级行星轮进行磁粉探伤检查，发现部分轮齿齿根有裂纹显示，断裂和非断裂轮齿齿根都有，最长约为75 mm，断裂轮齿齿根裂纹典型照片如图4所示，非断裂轮齿齿根裂纹典型照片如图5所示。对二级行星轮断裂或非断裂轮齿根部磁粉显示裂纹部位用放大镜进行放大检查，均可见沿轮齿根部轴向分布的裂纹，裂纹开口较大，分布相对平直，典型形貌如图6摘要：某风力发电齿轮箱用18CrNiMo7-6二级行星轮在风场工作过程中发现齿轮箱二级行星轮有断齿现象。对该二级行星轮进行外观检查、磁粉探伤检查、断裂轮齿和裂纹断口分析、烧伤检测分析、化学成分检测分析、显微组织分析、硬度及渗碳层深分析。结果发现，该二级行星轮轮齿有效硬化层深度比图样要求略深，其余冶金质量正常；轮齿根部断裂及裂纹性质相同，均为弯曲疲劳，疲劳均起始于齿根过渡圆角R处。关键词：二级行星轮;断裂;疲劳中图分类号:TH 132.41文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08014503Broken Teeth Causes Analysis of 18CrNiMo7-6 Secondary Planetary GearZHANG Kai,QI Ling(NFAICHigh Precision Transmission Co.,Ltd.,Zhuzhou 412000,China)Abstract:In the process of wind farm work,a wind power generation gearbox with 18CrNiMo7-6 secondary planetary gearis found to have broken teeth in the gearbox secondary planetary wheel.The secondary planetary wheel is subjected toappearance inspection,magnetic particle inspection,fracture analysis of broken gear teeth and cracks,burn test analysis,chemical composition test analysis,microstructure analysis,hardness and carburization layer depth analysis.The resultsproves that the effective hardening layer depth of the secondary planetary gear teeth is slightly deeper than therequirement of the drawing,and the rest of the metallurgical quality is normal;the root fracture and cracks of the gearteeth are of the same nature,all of them are bending fatigue,and the fatigue starts at the excessive rounding angle R of thetooth root.Keywords:secondary planetary wheel;fracture;fatigue图3二级行星轮齿靠近齿顶断裂形貌图2二级行星轮齿齿根断裂形貌图1二级行星轮整体外观形貌145机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：MECHANICAL ENGINEER所示。1.3断口分析断口研究的主要内容是对断口部位表面的宏观形貌和显微构造特性的直接观测与研究。对断口部位开展宏观研究的实验设备,一般是放大观察镜（约10倍）和体视显微镜（550倍）等。在许多情形下,通过宏观研究就能够确认断裂的特征、起始部位及断裂的方向。1.3.1断裂轮齿断口研究经目视和用体视镜检测后,该二级行星轮齿根部位开裂的全部2个轮齿开裂的轮齿断面都比较平整,且疲劳弧线和放射棱线的特征比较明确,基本为相互平行的条纹，略带弯曲呈波浪形，疲劳条纹垂直于疲劳裂纹的延伸方向，性能上均为疲劳裂纹。所谓疲劳裂纹，即金属材料结构件等承压件在远远小于金属材料抗拉强度极限的交变载荷影响下产生的开裂现象。整个疲劳断裂过程大致包括了裂纹形成、裂纹延伸及最后断裂3个步骤5。由于金属材料结构在交变应力影响下，其部分外表发生了塑性变化，从而引发了疲劳裂纹，一般发生在金属材料结构表层上应力较集中的地方，如晶界、划痕、蚀坑等位置。而疲劳断裂扩展过程的主要特点就是形成了疲劳辉纹，它是由许多互相平行并略带弧形的密排的条纹所构成。疲劳辉纹往往与局部的裂纹延伸方向垂直，因此疲劳辉纹的特征是识别疲劳断裂的关键依据。由于疲劳断裂一般都是脆性断裂，在最后断开之前，金属构件一般不发生明显的塑性变形，或在尚未发现有其他的宏观征兆以前，裂纹就已延伸或突然破裂。轮齿断裂的轮齿断面疲劳区均已贯穿轮齿厚度，扩展均较充分，疲劳均起始于轮齿根部过渡圆角R处，起始后沿轮齿厚度方向扩展，如图7所示。靠齿顶部位的轮齿断裂起于轮齿中下部表面，并呈现线性多源特性，延伸区局部均出现明显疲劳条裂纹特征，如图8所示。1.3.2裂纹断口分析对齿根部位磁粉检测发现裂纹，剖切开后观察，切面裂纹与轮齿断面外观形态相似，均较平直，呈现明显的疲劳弧线与放射棱线，疲劳起于轮齿根部过渡圆角R点，后随轮齿厚度方向延伸，源区呈点源，如图9所示。1.4烧伤检查烧伤主要是利用酸洗的方法，检测齿轮内外圈在磨削时有没有烧伤特征和裂纹，因为烧伤是一种热损缺陷，它使工件表层在高温下产生氧化物并形成极薄的氧化物层，从而大大降低了表层硬度，更严重的烧伤还会形成龟裂（即与磨削方向垂直的微细裂纹），所以检查烧伤是磨削工艺的重要检验项目，绝不能遗漏。按GB 17879标准对行星轮进行烧伤检查，发现轮齿中下部存在明显的回火烧伤，沿齿高方向烧伤区域宽窄不一，与宏观挤压损伤严重部位基本对应，因此分析认为，该烧伤为工作过程中造成的，如图10所示。1.5成分分析化学成分是决定金属材质特性与品质的重要因子。所以，选择金属材料时应保证化学成分，甚至视为最重要的质控标准。从二级行星轮轮齿断裂部位取样，按GB/T 4336标准检测化学成分，数据如表1所示，可以看出，成分均符合设计图样材料要求。图4断裂轮齿根部磁粉显示裂纹形貌图5非断裂轮齿根部磁粉显示裂纹形貌图6轮齿根部裂纹形貌图8靠近齿顶部位断裂轮齿断面形貌图7根部断裂轮齿断面形貌图9裂纹断口宏观形貌图10轮齿烧伤形貌表1化学成分质量分数测定数据%对比项CSiMnCrMoNiAlCuPS设计要求 0.150.21 0.40 0.500.90 1.501.80 0.250.35 1.401.70 0.0200.050 0.200 0.015 0.010实测值0.190.290.651.660.291.600.0360.0550.0040.001146机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期MECHANICAL ENGINEER表4硬度检查结果HRC项目表面硬度心部硬度要求58.062.0 35.045.0实测左节圆59.539.5右节圆59.3表3金相组织及晶粒度检查结果项目马氏体（级）残奥（级）碳化物（级）心部铁素体（级）晶间氧化/mm 晶粒度（级）要求1320%13130.0206级实测左节圆210%118左齿根0.012右节圆210%11右齿根0.0101.6显微组织分析显微组织通常是指把侵蚀或其他手段处理过的金属材料试样的磨面放在显微镜下观测得到的图像。显微组织检查就是利用金相显微镜，观测金属材料的组织（如相成分、夹杂物质和缺陷材料等）的一项技术手段。利用显微组织检验，可以对金属材料表面的微观尺度和缺陷作出识别与评价，例如对晶粒度的测定，对夹杂物等作 出 评 价;此外，也可以对金属材料表面的显微结构进行分析，以便发现微观组织和宏观性能的影响关系，为金属材料的运用提供理论支撑。按GB/T 10561、GB/T 13320、GB/T 6394等标准，在二级行星轮轮齿断裂位置取样，分别对该二级行星轮进行非金属夹杂、金相组织、晶粒度检测，检测结果都满足相关技术条件要求，结果如表2、表3所示，形貌如图11所示。1.7硬度硬度是反映各种金属材质软硬程度的主要指标之一，可在一定程度上反映材料塑性、韧性、抗拉强度等力学性能的优劣。按GB/T 231.1标准，从二级行星轮轮齿断裂部位取样，对该二级行星轮进行了表面和心部硬度检验，所有测量数据都满足设计要求，结果如表4所示。行星轮及太阳轮轮齿有效硬化层深度比图样要求略深，结果如表5所示。2讨论综合宏观分析检验结果可知，断裂的二级行星轮的化学成分、表面硬度、心部硬度检测结果都符合设计要求，渗碳有效硬化层深度较图样要求略深。综合微观分析检测结果，非金属夹杂物、金相组织和晶粒度等级都满足设计要求，冶金质量良好。断口分析结果显示，该二级行星轮断裂及裂纹性质均为疲劳开裂，疲劳起始均位于与轮齿根部过渡圆角R处，且距离表面有一定距离，起始后沿轮齿厚度方向扩展，为典型的齿轮弯曲疲劳断裂特征，疲劳区已基本贯穿轮齿厚度方向，扩展较充分。3结论1）断齿的二级行星轮材质正常，轮齿有效硬化层深度比图样要求略深，其余冶金质量正常。2）二级行星轮轮齿根部断裂及裂纹性质相同，均为弯曲疲劳，疲劳均起始于与齿圈配合面的齿根过渡圆角R处。参考文献1裴宇17Cr2Ni2Mo钢热处理工艺探讨J.热处理技术与装备，2010，31(2)：51-542王子瑜.18CrNiMo7-6钢渗碳工艺的研究J.船舶职业教育，2015(3)：33-353何畏，李波，周晓敏，等.18CrNiMo7-6钢圆柱试件淬火过程数值模拟J.石油机械，2014，42(2)：19-234刘俊，王京晖，李俏，等.18CrNiMo7-6和20CrNi2Mo钢高温渗碳工艺的研究与应用J.金属热处理，2013，38(10)：66-695王志文，关凯书.过程设备失效分析M.北京：化学工业出版社，2017：220-226.（编辑马忠臣）作者简介：张凯（1994），男，本科，助理工程师，从事风电齿轮箱及航空发动机材料的热处理工艺相关检测工作；齐玲（1972），女，本科，工程师，从事风电齿轮箱及航空发动机材料的相关检测工作。通信作者：张凯，。收稿日期：2022-08-31表2非金属夹杂检查结果项目A类B类C类D类DS类细系粗系细系粗系细系粗系细系粗系夹杂物含量要求级别1.51.01.00.50.50.51.01.01.0实测0000000.500图11显微组织（a）非金属夹杂（b）晶粒度（c）表面组织（d）心部组织表5有效硬化层深度和硬度检查结果对比项硬度梯度/HV层深/mm0.10.20.30.40.51.01.52.32.42.52.62.7要求值1.802.40实测值节圆6806996946906956766405865835565485402.58齿根7536906726686746616365755625525242.51HV147