风电增速机内齿圈断裂原因分析
2012-09-25王长健李继昌卫晨鸥
王长健 李继昌 卫晨鸥
(中国二重检测中心,四川618013)
某风电增速机内齿圈在风场使用不到两个月即出现断裂。该内齿圈材质为17Cr2Ni2Mo,其生产流程为:锻造毛坯—粗加工—整体调质—半精加工—表面渗碳淬火(Eht深度要求:2.8 mm~3.8 mm)—精加工及装配。为了对内齿圈断裂原因进行分析,在内齿圈断裂部位切取一试块,断裂内齿圈外貌及分析试块取试位置见图1。
图1 断裂内齿圈外貌及试块取试位置Figure 1 Fractured inner gear ring appearance and sampling position
1 试验方法
对试块上的内齿圈断口面进行清洗,分析观察内齿圈宏观断口形貌。切取3块低倍试片(编号分别为1#、2#、3#)进行低倍酸洗检验,观察内齿圈低倍组织形貌,并从宏观上大致观察齿面渗碳层深度情况,低倍取样图见图2。在1#低倍试片切取3块高倍试样,分别编号为1-1、1-2、1-3,进行齿面的表面渗碳组织分析以及采用显微硬度计进行有效硬化层深度测试,高倍取样图见图3。
图2 低倍取样图 Figure 2 Sampling drawing for macroscopic examination
图3 高倍取样图Figure 3 Sampling drawing for microscopic examination
2 检验结果
2.1 宏观断口检验结果
将内齿圈断口面用丙酮清洗干净后观察,该断口为疲劳断口,其宏观断口形貌见图4。整个断口主要分为3个区域:(1)疲劳源区,为线状疲劳源,位于齿根部位;(2)疲劳扩展区,有明显的疲劳贝壳纹,占整个断口面积约45%;(3)瞬断区,断面较扩展区粗糙,其面积约占整个断口面积的45%。
2.2 低倍检验结果
将切取的试片进行酸洗后检验,低倍组织致密,在1#、2#、3#低倍的齿面的渗碳深度为3 mm左右,在齿根部位渗碳层深度约为1 mm左右,齿面与齿根渗碳层深度相差非常大,见图5、图6。
2.3 高倍检验结果
将1-1、1-2、1-3三块高倍试样磨制后,在未经腐蚀的情况下观察,非金属夹杂物较少,塑性夹杂物0.5级,脆性夹杂物1.0级,夹杂总和1.5级。疲劳源处(1-3试样的齿根位置)有数条裂纹,裂纹细小弯曲,见图7。三件高倍试样用4%的硝酸酒精溶液腐蚀后观察,疲劳源处的裂纹两侧均无氧化脱碳现象,裂纹位于渗碳层内,见图8。齿根(1-2高倍试样)组织有粗大的针状回火马氏体,并且存在明显的组织偏析,按JB/T 6141.3—1992标准评定,马氏体+残余奥氏体级别符合标准图的6级,见图9、图10。基体组织为回火索氏体,见图11。齿顶组织和齿面部位组织均为细针回火马氏体,按JB/T 6141.3—1992标准评定,马氏体+残余奥氏体符合标准图的2级,表面碳化物级别符合标准图的1级,心部铁素体级别为1级,分别见图12、图13。
2.4 有效硬化层深度测试结果
分别对1-2号高倍的齿根位置、1-1号高倍齿顶和齿面位置采用半自动维氏硬度计做有效硬化层深度测试。测试结果为齿根位置有效硬化层深度为1.6 mm,齿面位置有效硬化层深度为2.9 mm,齿顶位置有效硬化层深度为3.8 mm。
3 分析与讨论
3.1 从低倍检验结果来看,内齿圈低倍组织致密,未发现肉眼可见的冶金缺陷,这说明内齿圈材料的冶金质量还是比较好的。内齿圈断裂与材料冶金质量无关。
图5 2#低倍形貌 图6 3#低倍形貌Figure 5 2# appearance at low magnification Figure 6 3# appearance at low magnification
图7 1-3号高倍试样齿根处裂纹 ×100 图8 1-3号高倍试样断裂源处裂纹 ×200Figure 7 Crack at tooth root of No.1-3 Figure 8 Crack at fracture source of No.1-3 microscopic specimen ×100microscopic specimen ×200
图9 齿根组织中的组织偏析 ×100图10 齿根组织 ×500
Figure 9 Segregation of tooth root structure ×100 Figure 10 Tooth root structure ×500
图11 基体组织 ×500 图12 齿顶组织 ×500Figure 11 Matrix structure ×500Figure 12 Tooth top structure ×500
3.2 从高倍检验结果来看,在断裂源区齿根部位的裂纹未发现氧化和脱碳现象,这证明内齿圈齿根处裂纹的产生与热处理无关。
3.3 通过低倍检验结果和硬度检验结果可知,该内齿圈齿根处有效渗碳深度只有1.6 mm左右,远小于齿面和齿顶处的渗碳层深度和标准要求(Eht要求最低为2.8 mm),这必然导致齿根处的疲劳强度降低。从高倍检验结果来看,齿根处组织为过热的粗大马氏体组织,且组织不均匀,从而导致齿根部位脆性变大。上述事实说明,内齿圈齿根部位疲劳强度低、脆性大,在使用过程中极易在交变应力作用下产生疲劳裂纹断口上疲劳源处存在数条裂纹也印证了这一点,也就是说,导致内齿圈疲劳断裂的原因为内齿圈齿根部位有效硬化层深度过低及组织中存在粗大的回火马氏体组织。
图13 齿面组织 ×500Figure 13 Tooth surface structure ×500
4 结论
内齿圈断裂性质为疲劳断裂,其产生原因是齿根部位的有效硬化层深度过低以及存在粗大回火马氏体组织。