17CrNiMo6磨煤机减速机齿轮轴断裂原因分析

王曦

(华电电力科学研究院，杭州 310030)

17CrNiMo6磨煤机减速机齿轮轴断裂原因分析

王曦

(华电电力科学研究院，杭州 310030)

17CrNiMo6是一种常用的轴承用钢，某火力发电厂17CrNiMo6材质的磨煤机减速机齿轮轴发生断裂失效，对断口进行宏观分析、化学元素成分分析、金相组织结构分析以及力学性能(含硬度与冲击功)检验。检验结果表明：轴外表面渗碳层力学性能分布不均，部分区域低于标准值；断口形貌为冲击疲劳断口，设备长期处于高负荷运转条件下，启机时冲击负荷较大引起轮齿处产生裂纹并迅速向轴中心部延伸，最终引起断裂。

17CrNiMo6；轴；冲击；断裂；渗碳层；高负荷

0 引言

17CrNiMo6是一种德国研发的高强度渗碳齿轮用钢，目前已广泛应用于采矿、运输、锻造等工业领域[1]，但仍未纳入国标，许多基本性能资料缺乏[2]，亟待进一步的研究。该钢用于重载齿轮轴时，所受载荷较大，对其抗疲劳性能有较高的要求，因此常采用喷丸工艺提高其抗疲劳性能，尽管如此，断轴现象仍时有发生。

某电厂磨煤机中间轴在运行过程中发生断裂，其材质为17CrNiMo6(DIN 17210—1986《表面硬化钢供货技术条件》中国内对应材料牌号为17Cr2Ni2Mo)，轴表面经过渗碳处理。

1 宏观断口分析

该轴为减速机中间级，其中大齿轮为套装齿轮，小齿轮与轴一体，断裂处位于轴承上大小齿轮交界处，扭转应力较大，如图1所示。

图1 断口位置示意

断口及附近金属未见明显塑性变形，断口大部分呈亮灰色，未见氧化腐蚀特征，存在宏观疲劳条带，如图2所示。断口可分为裂纹源区、疲劳扩展区和瞬间断裂区3个区域。裂纹起源于轮齿表面，裂纹源区断口表面粗糙，源区纹路较粗，如图3所示。裂纹源区呈放射状，未见明显疲劳特征。裂纹源的宏观特征表明裂纹起裂应力较大，从裂纹起裂到最终断裂的时间不长，裂纹扩展速度较快，裂纹源区由于匹配断面反复碰磨而发黑。

图2 断口宏观形貌

图3 裂纹源区域

从细节上看，裂纹源附近存在明显层状撕裂，轮齿上渗碳层与基体存在明显的分层，如图4所示。裂纹源上存在一条沿轴承径向横跨3个轮齿的裂纹，裂纹存在明显方向性(沿轴承转动方向)，说明日常运行中该处受到的冲击很大，如图5所示。

图4 裂纹源区域细节

图5 轮齿上裂纹

疲劳扩展区有大量明显的宏观疲劳条带，据此可看出裂纹扩展方向为由外向内扩展。从断面可以看出，裂纹扩展过程中存在数次快速断裂，表明运行过程中轴曾经承受过多次较大的冲击载荷。瞬断区面积在整个断口中所占比例较大，说明工件正常运行过程中所受的应力较大。

2 检查情况

2.1化学成分分析

对样品进行化学成分分析，样品中主要元素Cr，Ni，Mo，Mn的含量均符合标准，见表1。

表1 样品化学成分分析 %

2.2冲击检验

在轴外表面选取3处不同位置进行室温冲击检测，冲击功检测结果为31,31,43J。结果表明，外表面渗碳部位在不同区域渗碳层厚度不同，导致部分区域冲击功远小于DIN 17210—1986《表面硬化钢供货技术条件》中要求的41J，使得冲击韧性下降，裂纹敏感性增加。

2.3金相检验

沿径向取样进行金相检测，金相组织为均匀的回火索氏体，组织未见异常，如图6所示。

图6 金相组织500×

2.4运行过程资料核查

调取分散控制系统(DCS)上启动电流等参数，启机时瞬间电流达到200 A，正常启动电流为110 A左右，表明在满煤情况下，轴在瞬间承受的冲击荷载远大于正常启动时的冲击荷载。该设备长期处于满负荷状态，说明该轴长期承受较大荷载。

3 结果分析

断裂轴是减速机中承上启下的重要部件，工作中承受低速轴传递的扭矩和高速齿轮轴的推力。断口及附近金属未见明显塑性变形，齿轮上存在较长裂纹，断口表面存在大量宏观疲劳条带，可判断为冲击疲劳断裂。

轴表面硬度和金相组织均符合要求。轴断口为冲击疲劳断口，疲劳源区高周疲劳特征不明显，表明疲劳源是较大的冲击载荷，且裂纹扩展速度较快。

4 结论

经综合分析，轴断裂的原因为：(1)材料外表面渗碳层性能不均匀，部分区域冲击功低于标准值；(2)在减速机启停、变负荷、非正常工况下，由于受到较大冲击载荷的作用，轴在轮齿部位萌生了裂纹源并逐渐向中心扩展，最终造成轴的断裂。

[1]PANG Z R, YU S J, XU J W. Study of effect of quenching deformation influenced by 17CrNiMo6 gear shaft of carburization[J].Physics procedia,2013(50):103-112.

[2]阎承沛.我国齿轮热处理技术概况及发展趋势[J].热处理,2002,17(1):14-25.

TG 115

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1674-1951(2017)10-0058-02

2017-08-18；

2017-09-22

(本文责编：刘芳)

王曦(1985—)，男，湖北武汉人，工程师，工学硕士，从事焊接技术，金属失效分析工作(E-mail:35362611@qq.com)。