轧机辐板辊轴花键断齿失效分析

2021-09-28夏春龙王旭东潘嘉玉王建国李明泽

山西冶金 2021年4期

关键词：辊轴齿根花键

夏春龙，王旭东，潘嘉玉，王建国，李明泽

（太原重工轨道交通设备有限公司，山西太原 030032）

某公司锻轧生产线辐板辊轴服役一个月后，花键开始出现断齿现象，受委托对其失效原因进行分析。辐板辊轴花键材质为55NiCrMoV7，热处理状态为淬火+回火。

1 试验分析

1.1 宏观分析

辐板辊轴花键齿数为42，其中断齿约1/2。断齿大多数为多齿连续断裂，断齿约占齿长1/3～1/2，断齿形态主要为沿齿根断裂，断口面油污锈蚀污染严重，未断齿齿根几乎大部分轮齿都清晰可见多条纵向裂纹，齿面碾压塑性变形特征明显，见图1所示。

图1 宏观形貌

对辐板辊轴花键解剖，纵向取低倍、硬度试片，横向取高倍及电镜试块。

1.2 扫描电镜形貌分析

齿面呈典型的波浪状接触疲劳形貌，表面划伤严重。齿根附近有明显的压塌区域，齿根附近齿面可见多条平行裂纹，见图2。

图2 齿面形貌

1.3 化学成分分析

辐板辊轴的化学成分结果见表1。化学成分符合55NiCrMoV7材质成分要求。

表1 辐板辊轴成分 %

1.4 硬度分析

1.4.1 调质硬度

调质硬度结果见表2。

表2 调质硬度结果表

1.4.2 齿面硬度

齿顶处齿面硬度检测为：HRC50.8；HRC 50.6

试验结果表明，硬度值低于图纸要求HRC55～60。

1.5 金相分析

1.5.1 酸浸

试片酸浸后，花键侧有连续分布的裂纹，深度约8 mm，裂纹观察为齿根处延伸至截面。齿面方向观察，齿根裂纹几乎贯穿整个齿长此外，未发现其他宏观缺陷。

1.5.2 组织分析

高倍试样镶嵌后抛光状态下观察，齿根裂纹开口处与齿根表面约呈10°角方向起裂，且开口外宽内窄，延伸约100μm后，约呈60°角向内扩展，裂纹尖端有分叉现象，见图3-1所示。齿根处还可见多处小角度接触疲劳裂纹，见图3-2所示。

试样经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，齿根裂纹旁组织与基体一致，为回火索氏体，晶粒度8.0级。齿顶裂纹旁组织与裂纹附近区域组织一致，均为回火马氏体，齿顶区域为淬火组织形态，未观察到渗氮组织特征。淬火区域仅分布在齿顶位置，齿面与齿根均未淬火。淬火区域与基体交界处明显。花键基体组织为回火索氏体+沿晶网状分布的细颗粒状碳化物，碳化物所围成的晶粒约4.0级，见图3-3、3-4。非金属夹杂物A类0.5级，D类0.5级。

图3 花键裂纹及组织

1.5.3 齿顶区域硬化层及成分面扫

齿顶区域淬硬层深度约0.7 mm，硬度梯度分布见图4所示。齿顶成分面扫未检测到N元素，见图5所示。

图4 齿顶硬度梯度图

图5 齿顶面扫

试验结果表明，花键齿部未进行渗氮处理。

2 讨论

2.1 材料及热处理

辐板辊轴花键化学成分符合55NiCrMoV7要求。齿面硬度低于图纸要求。锻件除花键附近裂纹外，未见宏观缺陷。锻件非金属夹杂物合格，晶粒度合格。组织为回火索氏体+网状分布的细颗粒状碳化物，属调质组织，但碳化物呈网状，属热处理缺陷，应当避免。花键齿部为淬火组织，仅齿顶区域存在。未检测到氮元素，可确定花键未渗氮。

2.2 服役状况

辐板辊轴在服役过程中属主动传动件，电机扭矩通过花键联接形式传动到辐板辊机构中，旋转运行时主要为单侧齿面受压。花键齿面划伤及接触疲劳裂纹均说明服役过程中存在应力大现象。断齿双侧齿根均开裂，说明齿根受到双向弯曲应力，这可能与制动时反向受力有关。此外，辐板辊轴在使用过程中与不同的辐板辊啮合使用，也是辐板辊轴易于成为失效件的客观原因。

2.3 综合分析

辐板辊轴花键表面未按图纸要求渗氮处理，仅齿顶进行淬火处理。在使用过程中表现出来的多条接触疲劳裂纹与塑性压塌等现象，均说明硬度方面不满足实际服役要求。

表面接触裂纹产生后，在齿根弯曲应力较大区域，以接触疲劳裂纹为应力提升源，由外而内扩展开裂，开裂过程中，早期以疲劳方式扩展，后期呈过应力快速撕裂，导致断齿产生。断齿产生后，花键在运行过程中稳定性减弱，所受应力增大，加速其它齿断裂，从而引起大范围断齿产生，导致辐板辊轴花键失效。辐板辊轴内部存在网状分布的碳化物，降低了材料的塑性、使脆性增加，降低工件的使用寿命。综合分析认为，网状碳化物缺陷是导致花键早期断齿的内因，应当避免。