清潔能源是指不排放污染物、能夠直接用于生產(chǎn)及生活的能源，主要包括核能、風(fēng)能、太陽能、潮汐能、生物能等，其中風(fēng)能作為第三大清潔能源，越來越受到世界各國的重視。清潔能源雖然對(duì)環(huán)境友好，但其投資、維護(hù)費(fèi)用高，需要提高風(fēng)機(jī)單位質(zhì)量的能量密度，以降低整機(jī)成本。風(fēng)電齒輪箱為多級(jí)行星傳動(dòng)，具有零件多、精度高等特點(diǎn)。近年來，在風(fēng)電增速齒輪箱中，越來越多地應(yīng)用行星輪和軸承整合結(jié)構(gòu)，將行星輪的內(nèi)孔進(jìn)行硬化處理，并作為軸承的外圈，該結(jié)構(gòu)可以減小齒輪箱的體積、降低整機(jī)成本、避免行星輪與軸承發(fā)生打滑。
某批次用作滾道的行星輪材料為18CrNiMo7-6鋼，在經(jīng)過滲碳淬火+回火工序后，對(duì)其進(jìn)行精磨，隨后按照 GB/T 17879—1999 《齒輪磨削后表面回火的浸蝕檢驗(yàn)》對(duì)其進(jìn)行磨削燒傷檢測，腐蝕結(jié)束后發(fā)現(xiàn)行星輪內(nèi)孔表面出現(xiàn)較多均勻分布的黑點(diǎn)。磨削熱會(huì)引起齒面回火或二次淬火，從而使行星輪的組織發(fā)生變化，因此需對(duì)行星輪進(jìn)行磨削燒傷檢測，其檢測原理為：經(jīng)硝酸溶液腐蝕后，燒傷區(qū)域與未燒傷區(qū)域的顏色存在差異。磨削燒傷檢測過程中，體積分?jǐn)?shù)為3%~5%的硝酸水溶液用于腐蝕試樣，體積分?jǐn)?shù)為4%~6%的鹽酸水溶液用于試樣脫色，以及pH不小于10的堿性溶液用于中和溶液。除磨削燒傷檢測過程外，整個(gè)生產(chǎn)、檢測過程中，零件均不接觸腐蝕性介質(zhì)。研究人員采用一系列理化檢驗(yàn)方法,查明了該批次行星輪內(nèi)孔表面產(chǎn)生黑點(diǎn)的原因，以防止該類問題再次發(fā)生。
1、 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
在行星輪內(nèi)孔處取樣，將試樣進(jìn)行最小程度的磨平及拋光處理，然后按照GB/T 17879—1999對(duì)試樣進(jìn)行磨削燒傷腐蝕，其中硝酸乙醇溶液及鹽酸水溶液的體積分?jǐn)?shù)均為4%，腐蝕的時(shí)間為30s，腐蝕后試樣的宏觀形貌如圖1所示,可見行星輪內(nèi)孔表面有黑點(diǎn)。
1.2 化學(xué)成分分析
在行星輪內(nèi)孔處取樣，對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可見該行星輪的化學(xué)成分符合GB/T 3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)18CrNiMo7-6鋼的要求。
1.3 掃描電鏡(SEM)及能譜分析
采用SEM對(duì)黑點(diǎn)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖2所示。對(duì)黑點(diǎn)進(jìn)行能譜分析，分析位置如圖2所示，分析結(jié)果如表2所示，可見黑點(diǎn)主要含有O、Mg、Al、Ca、Mn、S等元素。
采用SEM對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3所示。
1.4 金相檢驗(yàn)
在行星輪內(nèi)孔處截取試樣，將試樣進(jìn)行磨制、拋光、腐蝕處理，然后用光學(xué)顯微鏡對(duì)其進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示，可見內(nèi)孔滲層組織為細(xì)針狀馬氏體+少量殘余奧氏體，心部組織為貝氏體+馬氏體。
采用光學(xué)顯微鏡觀察非金屬夾雜物的拋光態(tài)和腐蝕態(tài)形貌，結(jié)果如圖5，6所示。由圖5，6可知：非金屬夾雜物主要為A類夾雜物、B類夾雜物、D類球狀氧化物；所有非金屬夾雜物均被腐蝕，且夾雜物脫落后形成腐蝕坑的尺寸比夾雜物的尺寸更大；夾雜物級(jí)別分別為A0.5，B1.0，C0，D1.5，DS0.5級(jí)。
1.5 黑點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)
在行星輪內(nèi)孔表面取尺寸為14mm×16mm(長度×寬度)的試樣，在超景深顯微鏡下對(duì)試樣進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖7所示。
分別在100%放大顯示及40%縮小顯示兩種情況下統(tǒng)計(jì)可見黑點(diǎn)的總數(shù)，按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》計(jì)算對(duì)應(yīng)倍數(shù)下單位視場內(nèi)的黑點(diǎn)數(shù)量，發(fā)現(xiàn)在100%放大顯示及40%縮小顯示下，單位視場內(nèi)的平均黑點(diǎn)數(shù)量分別為6.4個(gè)和3.7個(gè)。依據(jù)GB/T 10561—2005對(duì)黑點(diǎn)進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)級(jí)，判斷黑點(diǎn)為夾雜物被腐蝕后形成的腐蝕坑。
2、 綜合分析
黑點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：100%放大顯示下，單位視場內(nèi)的平均黑點(diǎn)數(shù)量約為6.4個(gè)，在40%縮小顯示下,單位視場內(nèi)的平均黑點(diǎn)數(shù)量為3.7個(gè)。依據(jù)單位視場內(nèi)的黑點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)級(jí)，結(jié)果為 A1.5、B1.5、C1.5、D1.5、DS1.0級(jí)，說明夾雜物被腐蝕且形成了腐蝕坑，宏觀顯示為黑點(diǎn)。磨削燒蝕檢測中，A類、B類及 D類夾雜物(試樣未見C類夾雜物)均被腐蝕，形成了腐蝕坑，且不同夾雜物被腐蝕后形成的腐蝕坑尺寸不同，其中A類、B類夾雜物腐蝕后形成的腐蝕坑在長度方向的平均增幅為24%，寬度方向的平均增幅為480%；D類夾雜物腐蝕后形成的腐蝕坑直徑的平均增幅為69%。說明A類、B類夾雜物被腐蝕后，周圍的基體也會(huì)被腐蝕，形成腐蝕坑的尺寸更大，而D類夾雜物被腐蝕后，基體雖然也會(huì)被腐蝕，但形成腐蝕坑的尺寸較小，說明其腐蝕程度較輕。
3、 結(jié)論
行星輪內(nèi)孔表面產(chǎn)生黑點(diǎn)的原因?yàn)椋涸谀ハ鳠齻麢z測中，行星輪內(nèi)孔表面的非金屬夾雜物及其周圍基體被腐蝕，并形成了腐蝕坑，宏觀表現(xiàn)為黑點(diǎn)。
作者：晁永強(qiáng)，劉聰穎，王濤，馬宏利，趙龍，解明雨，何建飛，楊德文，曹云
單位：重慶齒輪箱有限責(zé)任公司 大型高精齒輪檢測實(shí)驗(yàn)室
來源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2023年第7期
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