高速齿轮轴断齿原因分析

王长健

（四川建筑职业技术学院，四川 德阳 618000）

近年来中国的风电产业蓬勃发展，2011年全国新增装机容量18 GW，居世界第一，但我国风机技术水平同欧美发达国家还存在明显的差距，尤其是关键零部件的先进制造技术水平。风力发电机组一般安装在荒郊、野外、山口、海边等风能较大且周围无遮挡物之处，发电机、齿轮箱等安装在机组塔架之上狭小的机舱内，距地面几十米高，常年受酷暑、严寒和极端温差的影响，工作环境极其恶劣。据世界风力发电网数据，齿轮箱失效占风电装备失效的12%。因此高速齿轮箱系统作为整个风机系统的核心部件，因使用环境极其复杂，其关键零部件（高速齿轮轴、轴承）等制造技术水平是影响风机装备故障的主要因素[1—2]。

材质为17Cr2Ni2MoA的1.0 MW风电齿轮箱高速齿轮轴，质量为71.6 kg，共生产5件，其中4件在安装装配后进行试车试验时发现有断齿现象，导致高速齿轮轴报废，同时导致整个风电齿轮箱的安装调试工作停滞。该齿轮轴的生产工序流程为：炼钢→锻造成坯→第一次机械加工（粗加工）→预备热处理（正回火热处理）→超声波探伤检验→第二次机械加工（半精加工）→渗碳淬火热处理→第三次机械加工（精加工）→安装装配→试车试验。为此，本文通过化学成分分析、齿面宏观外貌观察分析、宏观断口、宏观金相、微观金相、有效硬化层深度测试、扫描电镜试验分析等一系列的理化试验，对该高速齿轮轴断齿原因进行了分析。

1 试验方法

断裂高速齿轮轴原始形貌见图1。对断裂高速齿轮轴断齿的断口面进行清洗，观察断齿宏观断口形貌，并对断齿的齿面进行观察分析。将断口碎片用扫描电镜进行断口微观形貌分析，在断齿高速齿轮轴上切取两件横向宏观金相试片，观察高速齿轮轴横向宏观金相组织形貌以及裂纹宏观形态。在宏观金相试片的裂纹处切取两件微观金相试样，对裂纹的微观形态进行分析，对锻件齿面渗碳质量进行检验，并对齿面、齿根、齿顶的有效硬化层深度进行测试。同时切取化学成分分析试样，对高速齿轮轴进行化学成分分析。

2 检验结果

2.1 化学成分检验结果

按ASTM E415—2008 碳素钢和低合金钢光学放射真空光谱测定分析的试验方法，用德国OBLF QSN750型光电直读光谱仪进行高速齿轮轴化学成分分析，分析结果见表1。该高速齿轮轴化学成分均符合产品技术要求。

2.2 高速齿轮轴外观检查分析结果

经现场情况调查以及对断裂高速齿轮轴的外观形貌进行观察分析，该高速轴断齿主要有三个特征：断齿主要集中出现在高速齿轮轴某一相邻部位；几乎所有断齿均起源于齿根；其余未断齿上的裂纹大部分也起源于齿根。见图2。

2.3 宏观断口形貌分析结果

对高速齿轮轴断齿碎片断口进行清洗后观察，碎片断口宏观形态主要分为两种类型。第一种断口类型仅一块，其断口形貌见图 3，断裂源在齿根，断裂源区光滑光亮，断裂扩展区发现有较为明显的疲劳贝纹线，约占整个断口面积的60%，瞬时断裂区呈较为粗糙的结晶状断口，约占整个断口面积的30%。其余碎片断口均为第二种断口类型，其断口形貌见图4，为多源断裂，断裂源主要位于齿面次表层，同时整个断口面光滑明亮，断裂扩展区也有较为明显的疲劳贝纹线。

表1 高速齿轮轴化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of the high speed gear shaft %

2.4 齿面观察分析结果

对图 3中的第一种断口类型的断齿齿面进行观察，发现齿面有明显的挤压痕迹，见图5，对挤压痕迹在显微镜下观察，挤压痕迹内有挤压凹坑和裂纹。

2.5 宏观金相检验结果

两件横向宏观金相试片经50%（质量分数）的盐酸水溶液热酸腐蚀后，观察其宏观金相组织形貌。宏观金相组织心部均细致，无明显的疏松以及偏析缺陷，除部分断齿外，齿部有裂纹。裂纹主要有两种类型，第一种裂纹起源于齿根，另一种裂纹起源于齿面节圆处。宏观金相组织形貌见图6—7。

2.6 微观金相检验结果

磨制切取的两件微观金相试样，未经腐蚀在德国徕卡 DMI5000型光学金相显微镜下观察，该高速齿轮轴非金属夹杂物极少，按ASTM E45—2013标准[3]进行评定，各类非金属夹杂物级别均未超过1.0级。齿根处裂纹微观形貌见图8，裂纹两侧及附近均未见非金属夹杂物，但裂纹内均有呈白亮色的球形物。试样经4%（质量分数）硝酸酒精溶液腐蚀后观察，裂纹两侧未见氧化脱碳现象，裂纹附近显微组织为回火马氏体，裂纹内的白亮色球状物均不受腐蚀，见图9。按JB 6141.3—1992标准[4]对高速齿轮轴齿面渗碳组织进行评定，表层马氏体及残余奥氏体级别、表层碳化物级别、芯部铁素体组织级别均为2级，符合产品的技术要求。按ASTM E112—2012标准[5]对高速齿轮轴的断齿部位进行晶粒度级别评定，为7级，也符合产品的技术要求。

2.7 有效硬化层深度测试结果

采用显微维氏硬度法，按ISO 2639—2002标准，加载载荷为1 kg，加载时间12 s，对断齿的齿顶、齿根、齿面渗碳层的有效硬化层深度进行检测，齿顶有效硬化层深度为1.79 mm，齿根有效硬化层深度为1.67 mm，齿面有效硬化层深度为1.60 mm，均超过技术要求0.8～1.3 mm，其中齿根硬度分布图见图10。

2.8 扫描电镜分析结果

将第一种断口类型断齿碎片进行扫描电镜分析（仪器为日本电子 JSM-5900LV型扫描电镜），断裂源区未见非金属夹杂物及疏松孔洞等缺陷，断口扩展区发现有疲劳辉纹形态，见图 11，断裂瞬断区为准解理形貌。微观金相试样裂纹内的白色球状物微区成分与基体成分接近，基本一致，仅Mo元素有一定差异，基体成分见图 12，白色球状物微区成分见图13。

3 讨论

从高速齿轮轴的使用时间来看，在试车时即已断齿，使用时间极短。从断齿的宏观断口形貌来看，无论是第一类齿部掉块，还是第二类齿部掉块，断面上存在明显的贝纹线，可以确定该高速齿轮轴是典型的快速疲劳断裂[6—12]。

从高速齿轮轴的化学成分分析结果来看，该高速齿轮轴化学成分均合格，材质正常。从微观金相检验结果来看，高速齿轮轴非金属夹杂物较少；从宏观金相检验结果来看，该高速齿轮轴内部组织细密，未见明显的疏松，以及偏析、孔洞、白点等冶金缺陷。结果说明，该高速齿轮轴的冶金质量好，高速齿轮轴的快速疲劳断裂与高速齿轮轴的冶金质量无关。

该高速齿轮轴表面进行渗碳热处理，其目的是提高齿部表面含碳量，使得表面形成一层硬的、耐磨的硬化层，从而使齿部弯曲强度提高。表面渗碳硬化层深度过低，因齿面承受高的接触应力与弯曲应力，齿面容易发生磨损、点蚀、剥落等破坏。表面渗碳硬化层深度过高，则可能促使高速齿轮轴齿顶破坏，齿根弯曲疲劳强度降低，工件热处理生产成本增加，生产周期增长。从金相检验结果来看，高速齿轮轴表面渗碳组织中的表层马氏体及残余奥氏体级别、表层碳化物级别、芯部铁素体组织级别均为2级，属正常现象。从有效硬化层深度测试结果来看，该高速齿轮轴表面渗碳层的有效硬化层过深，无论是齿面、齿顶还是齿根，均超过了产品技术条件的要求。渗碳层过深，特别是齿根渗碳层过深，将增大齿根的马氏体脆性，从而导致齿根所能承受的弯曲疲劳强度降低[13—15]。而该高速齿轮轴在运行试车过程中，齿根部位所承受的弯曲应力最大[13]，当所承受的弯曲应力超过材料的弯曲疲劳强度时，必然在试车运行过程中齿根部位形成显微裂纹，从而沿齿根形成快速疲劳开裂，即形成第一类齿部掉块。事实表明，由于高速齿轮轴渗碳热处理时表面渗碳层深度过深导致齿根脆性增大，所能承受的弯曲应力减小，是导致高速轴形成快速疲劳断裂的关键原因。

当第一类齿部掉块形成后，高速齿轮轴在试车运行时，剩余未断的齿将承受所有的应力，因此，未断齿部的受力将明显增加，再加上未断齿自身齿根、齿面、齿顶的表面渗碳层深度过深，因此剩余未断齿的致裂因素是多重的，从而形成多源疲劳断裂，即第二类齿部掉块。在齿面的外貌检查过程中，发现有明显的挤压麻点、麻坑，这进一步证实第一类断齿后剩余未断齿的受力环境发生较大变化，齿面的受力明显增加所致。

从裂纹微观形态分析发现，裂纹内部有白色的球状物，疑似为工件内部的冶金缺陷，但从扫描电镜微区成分分析得知，白色球状物和基体成分一致，即白色球状物不是外来物，而是高速齿轮轴在疲劳断裂时残存在裂纹内部的基体物质，任何物质在形成时均遵从最小能量原则，因此白色球状物在高速齿轮轴疲劳开裂过程中形成球状是正常的。

4 结语

该高速齿轮轴断齿性质为快速疲劳断裂，其形成原因是高速齿轮轴渗碳热处理时齿根渗碳层深度过深所致。高速齿轮轴在热处理生产过程中，应严把热处理质量检验关，包括渗碳热处理组织检验和有效硬化层深度测试，测试不合格坚决不使用，以避免后期质量事故发生。