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風(fēng)電機(jī)組上齒輪失效分析舉例

 

1、高速齒軸表面凹坑形成原因分析(熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致噴丸時(shí)局部剝落)

 

某風(fēng)電機(jī)組上的高速齒軸材料為18CrNiMo7-6鋼，總長(zhǎng)度為840mm，齒部分長(zhǎng)度為140mm，齒頂圓直徑為180mm，模數(shù)為5mm。熱處理時(shí)一爐處理12件，發(fā)現(xiàn)有兩件在噴丸后齒面出現(xiàn)凹坑。凹坑大多位于齒頂部位，且較淺，有些已連成一體，見(jiàn)圖1。

 

圖1 齒表面凹坑的宏觀形貌

 

圖2 齒軸表面的晶間氧化情況

 

理化檢驗(yàn)結(jié)果表明，該失效的齒軸各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足技術(shù)要求，但表面存在晶間氧化現(xiàn)象，見(jiàn)圖2。晶間氧化導(dǎo)致晶粒間結(jié)合力降低，有的甚至彼此分離，在噴丸過(guò)程中表面因承受較大切向應(yīng)力而造成局部脫落，形成凹坑。

 

2、內(nèi)齒圈開(kāi)裂原因分析(熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致淬火開(kāi)裂和延遲性開(kāi)裂)

 

某風(fēng)電機(jī)組上的內(nèi)齒圈材料為42CrMoA鋼，為模鑄鋼錠、環(huán)鍛，該零件經(jīng)中頻沿齒溝感應(yīng)淬火和回火后磁粉探傷，或在磨削加工后進(jìn)行磁粉探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋多出現(xiàn)在靠齒圈端面的齒表面，以出口位置居多，中間部位也發(fā)現(xiàn)裂紋，見(jiàn)圖3。

 

圖3 齒圈裂紋的宏觀形貌

 

該零件的加工工序?yàn)椋捍周?chē)→粗銑齒→調(diào)質(zhì)→半粗車(chē)→精銑齒→倒角→感應(yīng)淬火→噴丸→精車(chē)→鏜→磨齒。感應(yīng)淬火時(shí)從下端面進(jìn)口端沿齒槽連續(xù)掃描至上端面出口端，采取邊加熱邊噴淬火液的冷卻方式。淬火溫度大約為860℃，回火溫度為220℃。

 

探傷發(fā)現(xiàn)裂紋的時(shí)間段為：①感應(yīng)淬火后磨齒前發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂(少數(shù))；②感應(yīng)淬火及磨齒后發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂(多數(shù))，其中一件在感應(yīng)淬火前磁粉探傷未發(fā)現(xiàn)裂紋，磨齒后發(fā)現(xiàn)裂紋；③感應(yīng)淬火及磨齒后探傷入庫(kù)，復(fù)查時(shí)發(fā)現(xiàn)一件開(kāi)裂。

 

理化檢驗(yàn)結(jié)果表明，齒端部和齒中部的裂紋開(kāi)口處側(cè)面未見(jiàn)明顯脫碳特征，裂紋較直，均位于淬硬層內(nèi)，具有淬火開(kāi)裂特征；裂紋縱深擴(kuò)展方向大多數(shù)和帶狀偏析方向一致，說(shuō)明開(kāi)裂和帶狀組織偏析有一定的關(guān)系；齒表面未見(jiàn)明顯的磨削變質(zhì)層，說(shuō)明淬火后的磨削工藝正常。

 

齒圈齒面的感應(yīng)淬火會(huì)導(dǎo)致齒面在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的熱處理殘余內(nèi)應(yīng)力。42CrMo鋼屬于合金結(jié)構(gòu)鋼，其碳含量和鉻含量均較高，淬透性較好，一般采用油冷卻工藝，淬火時(shí)若采用水冷卻可造成工件熱處理應(yīng)力大幅度提高，容易引起淬火裂紋。實(shí)際檢測(cè)結(jié)果顯示組織偏析區(qū)域亮區(qū)的硬度略高于暗區(qū)的硬度，這會(huì)增加淬火冷卻時(shí)的應(yīng)力集中程度，更容易產(chǎn)生淬火開(kāi)裂。齒圈端部呈弧形的裂紋尖端“存在較細(xì)的、不連續(xù)的呈沿晶特征的微裂紋”為延遲性裂紋，見(jiàn)圖4，該延遲性裂紋與熱處理殘余內(nèi)應(yīng)力、淬火裂紋尖端的應(yīng)力集中以及氫元素有關(guān)。淬火后進(jìn)行適時(shí)除氫和消除殘余內(nèi)應(yīng)力可以減少延遲性裂紋的產(chǎn)生。

 

圖4 齒圈端部裂紋的剖面形貌

 

3、輸出齒輪軸內(nèi)部缺陷分析(原材料缺陷導(dǎo)致不良品)

 

某風(fēng)電機(jī)組上的輸出齒輪軸材料為18CrNiMo7-6鋼，最終熱處理后在精加工期間，超聲波探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有缺陷顯示，缺陷顯示部位如圖5中的標(biāo)識(shí)所示。

 

圖5 輸出齒輪軸的宏觀形貌

 

圖6 齒輪軸內(nèi)部的缺陷形貌

 

通過(guò)無(wú)損檢測(cè)確定了缺陷位置，然后切取缺陷部位，采用磨拋的方法觀察到了缺陷顯示，見(jiàn)圖6。經(jīng)測(cè)量得到缺陷軸向長(zhǎng)度大于3mm，寬度為0.93~0.85mm。經(jīng)EDS能譜分析，缺陷區(qū)域的顆粒狀異物主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為2.20％Cr，1.00％Mn，96.77％Fe，和基體的主要化學(xué)成分相似；顆粒狀異物之間的區(qū)域能譜分析結(jié)果為1.02％C，1.86％O，1.30％Ca，2.05％Cr，92.25％Fe，1.52％Ni，除基體元素外，存在較低含量的碳、氧、鈣，分析認(rèn)為這些元素是磨拋光過(guò)程中缺陷間隙受污染所致。金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷區(qū)域的碎塊和基體的顯微組織相同，說(shuō)明這些碎塊材料和基體相似，是鑄造疏松經(jīng)鍛打后形成的。

 

4、輸出齒輪軸開(kāi)裂原因分析(原材料缺陷導(dǎo)致延遲性開(kāi)裂)

 

某風(fēng)電機(jī)組上的輸出齒輪軸材料為18CrNiMo7-6鋼，在熱處理、噴丸和加工后發(fā)現(xiàn)有6件開(kāi)裂(精車(chē)前發(fā)現(xiàn)2件，精車(chē)后發(fā)現(xiàn)3件，另一件在精磨后開(kāi)裂)，裂紋形態(tài)基本相同，均呈縱向開(kāi)裂。該輸出齒輪軸加工制造過(guò)程為：鍛造→粗車(chē)→探傷→滾齒→滲碳→淬回火→噴丸→精車(chē)→精磨。

 

根據(jù)理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，開(kāi)裂的輸出齒輪軸的化學(xué)成分、滲碳層深度和表面硬度等均符合技術(shù)要求；斷裂源處、斷口處的顯微組織和遠(yuǎn)離斷口的基體處的顯微組織一致，均為回火馬氏體，未見(jiàn)明顯增、脫碳和其他異?，F(xiàn)象；根據(jù)宏觀開(kāi)裂面斷口分析和SEM形貌分析可知，開(kāi)裂源位于距離表面25.58mm處，為內(nèi)裂；開(kāi)裂源處存在一條3.73mm(長(zhǎng))×(0.16~0.17)mm(寬)的呈軸向密集分布的顆粒狀物質(zhì)，見(jiàn)圖7，缺陷區(qū)域進(jìn)一步放大后夾雜物的形貌見(jiàn)圖8，經(jīng)EDS能譜分析結(jié)果顯示為氧化鋁類(lèi)夾雜物。

 

圖7 呈帶狀分布的密集夾雜物

 

圖8 顆粒狀?yuàn)A雜物的形貌

 

零件淬火時(shí)由于較大的溫度差和顯微組織變化，會(huì)產(chǎn)生較大的熱處理殘余內(nèi)應(yīng)力。淬火后的回火處理可消除一部分熱處理殘余內(nèi)應(yīng)力，但消除的程度主要取決于回火溫度。研究表明：400℃回火的鋼中仍然存在約50％的殘余應(yīng)力，500℃回火后還存在約20％的殘余應(yīng)力，低溫回火通常不能完全去除材料中的殘余應(yīng)力。該齒輪軸滲碳熱處理后為低溫回火(200℃)，會(huì)存在較大的殘余內(nèi)應(yīng)力。材料內(nèi)部呈條帶狀軸向分布的聚集夾雜物破壞了材料的連續(xù)性，等同于一條微裂紋，存在較大的應(yīng)力集中，在較大的殘余內(nèi)應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂，或者協(xié)同材料內(nèi)部氫的作用而發(fā)生氫致延遲性開(kāi)裂。

 

圖9 發(fā)生周向開(kāi)裂的齒輪

 

圖10 發(fā)生軸向開(kāi)裂的齒軸

 

類(lèi)似的開(kāi)裂失效形式在其他機(jī)組的齒輪上也有發(fā)現(xiàn)，如圖9和圖10所示。

 

5、中間齒輪軸開(kāi)裂分析(原材料缺陷導(dǎo)致疲勞斷裂)

 

某風(fēng)電機(jī)組上的中間齒輪軸材料為18CrNiMo7-6鋼，齒部采用了滲碳處理，使用狀態(tài)為淬火+低溫回火態(tài)。該齒輪軸裝機(jī)并網(wǎng)時(shí)間為2014年9月3日，發(fā)現(xiàn)斷齒失效的時(shí)間為2016年2月15日，運(yùn)行時(shí)間為530d(天)。經(jīng)事故調(diào)查，該類(lèi)型的齒輪軸發(fā)生斷齒失效的事故有數(shù)起，同批次的僅此一起，運(yùn)行過(guò)程中齒輪軸為單向轉(zhuǎn)動(dòng)。失效的齒輪軸宏觀形貌見(jiàn)圖11，圖12所示為從齒軸上斷裂的部分齒。

 

圖11 斷齒失效的齒輪軸

 

圖12 齒輪軸斷裂的齒面

 

宏觀觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)，斷裂的齒輪軸上僅有一個(gè)斷齒，其余齒均比較完整，所有齒面均未見(jiàn)明顯的變形或損傷。斷口整體上比較平坦、細(xì)膩，可見(jiàn)貝殼紋，具有疲勞斷裂的宏觀特征。將斷裂的兩部分進(jìn)行拼接，靠近齒根部位吻合良好，靠近節(jié)圓處匹配性較差，存在材料缺失，該部位的齒面上存在擠壓痕跡，說(shuō)明該齒面為受力面。發(fā)生斷齒后，連在齒軸上的斷齒受到配合齒的多次撞擊，斷口邊緣部分發(fā)生了二次斷裂，導(dǎo)致部分材料缺失和匹配性變差。

 

理化檢驗(yàn)結(jié)果表明，18CrNiMo7-6鋼制齒輪軸的化學(xué)成分符合技術(shù)要求，齒輪軸的縱向低倍組織和橫向低倍組織均未見(jiàn)異常。非金屬夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果為A0.5，B0，C0，D0.5，奧氏體晶粒度級(jí)別為9~9.5級(jí)。

 

斷裂面高倍SEM形貌可見(jiàn)疲勞輝紋和大致平行的二次裂紋，可見(jiàn)該斷齒性質(zhì)為疲勞斷裂；根據(jù)斷齒部分剖面金相試樣上靠近斷裂面的次生裂紋特征判斷，疲勞起源于齒的內(nèi)部，向節(jié)圓部位的齒面和齒根處擴(kuò)展；在斷口剖面試樣上觀察到尺寸較大的異物，經(jīng)EDS能譜分析，其主要成分為鋁和氧。

 

對(duì)齒輪服役過(guò)程中的受力情況進(jìn)行有限元模擬，參見(jiàn)上圖，正常情況下齒根部位受到的拉應(yīng)力最大，傳遞力矩的節(jié)圓面處承受壓應(yīng)力，可見(jiàn)正常情況下，斷裂應(yīng)該從齒根開(kāi)始。但實(shí)際斷裂卻起源于齒的內(nèi)部，和理論分析結(jié)果不一致，說(shuō)明齒的內(nèi)部存在異?，F(xiàn)象。金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在近齒面處檢測(cè)到較大尺寸的非金屬夾渣是冶煉過(guò)程中進(jìn)入鋼液中的外來(lái)物，為原材料缺陷，其對(duì)基體具有分割作用，同時(shí)也形成明顯的應(yīng)力集中，在齒輪較長(zhǎng)時(shí)間的服役當(dāng)中，充當(dāng)了裂紋源，發(fā)生了疲勞斷裂。

 

圖13 齒輪箱損毀情況

 

圖14 斷齒面的形貌

 

圖13是一個(gè)失效的風(fēng)能機(jī)組齒輪箱，行星輪和內(nèi)齒圈的大部分齒已經(jīng)遭到破壞，大量的碎屑堆積在內(nèi)齒圈端面。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步失效分析判斷，該事故的起因也是由于聚集分布的非金屬夾雜物所致，首先導(dǎo)致行星輪個(gè)別斷齒，見(jiàn)圖14。斷齒后運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性變差，由于齒圈、行星輪、太陽(yáng)輪三者相互嚙合、互相牽制、互相影響，結(jié)果釀成齒輪箱嚴(yán)重?fù)p毀的較大事故。

 

齒輪失效的預(yù)防措施

根據(jù)齒輪(齒軸)經(jīng)常失效的模式及其失效原因，可采用以下措施預(yù)防風(fēng)能發(fā)電機(jī)組上的齒輪(齒軸)的早期失效。

(1)嚴(yán)格控制齒輪用鋼的冶金質(zhì)量，重要的齒輪宜選擇模鍛件。

(2)合理選擇齒輪用材料，對(duì)于關(guān)鍵重要部位的齒輪不但要考慮齒輪輪齒的強(qiáng)度、硬度，還要考慮心部的強(qiáng)度、硬度。

(3)優(yōu)化齒輪的熱處理工藝，保證熱處理質(zhì)量。

(4)提高齒輪齒面之間的配合精度，必要時(shí)可進(jìn)行多次“跑合”進(jìn)行預(yù)磨。

(5)保證充足潤(rùn)滑，防止?jié)櫥蜏囟冗^(guò)高或受到污染。

(6)定期對(duì)齒輪進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，防止齒輪運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生振動(dòng)。

(7)防止過(guò)載。

 

小結(jié)

齒輪的失效除材料和工藝因素外，還與腐蝕性環(huán)境、粉塵或顆粒狀異物、潤(rùn)滑油的供給量、潤(rùn)滑油的溫度和油中腐蝕性元素的含量、齒輪的配合精度以及是否過(guò)載等有關(guān)。齒輪的失效包含了斷裂、腐蝕、磨損、變形這4種機(jī)械零部件的基本失效形式。

 

風(fēng)能發(fā)電機(jī)組上使用的齒輪(齒軸)一般都有殼體保護(hù)，不太容易遭受環(huán)境中顆粒狀異物造成的異常磨損。在機(jī)組運(yùn)行正常的情況下，齒面始終有一層油膜保護(hù)，加上持續(xù)的彼此接觸和滑動(dòng)，也不容易產(chǎn)生腐蝕。

 

18CrNiMo7-6鋼是風(fēng)電機(jī)組上齒輪使用最多的材料。通過(guò)對(duì)該材料制造的大量齒輪的失效分析得知，國(guó)產(chǎn)18CrNiMo7-6鋼制造的齒輪(齒軸)早期失效的主要原因有：

①原材料中存在聚集分布的非金屬夾雜物；

②鑄造疏松在鍛造過(guò)程中形成微裂紋類(lèi)缺陷；

③帶狀組織嚴(yán)重，晶粒不均勻。

可見(jiàn)，原材料的冶金質(zhì)量至關(guān)重要。