挖掘机齿轮轴断裂原因

付洋洋

(上海材料研究所有限公司 检测中心, 上海 200437)

齿轮传动是机器中最常见的一种机械运动,可实现改变转速、运动方向和运动形式等功能,是机械产品的基础零部件[1],齿轮轴是齿轮的重要组成构件,其质量决定整个齿轮的使用寿命。某齿轮轴主要用作挖掘机回转马达减速机的输出轴,其材料为20CrMnTi钢,该齿轮轴经过锻造、热处理、机械加工后,再对其进行磁粉检测,结果未发现裂纹,齿轮轴投入使用约530 h后断裂。笔者采用宏观观察、化学成分分析、硬度测试、扫描电镜(SEM)分析以及金相检验等方法对齿轮轴断裂的原因进行了分析,以防止该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

断裂齿轮轴的宏观形貌如图1所示。在齿轮轴断裂处截取试样,将试样清洗后,再对试样进行观察,齿轮轴断口宏观形貌如图2所示。由图2可知:断口可见明显的擦伤及疲劳贝纹线,贝纹线收敛于齿轮轴表面;裂纹源区断口呈灰暗色,无明显金属光泽,可见齿轮发生过严重的磨损,整个断口符合疲劳断裂的宏观形貌特征。

图1 断裂齿轮轴宏观形貌

图2 齿轮轴断口宏观形貌

1.2 化学成分分析

对齿轮轴进行化学成分分析,结果如表1所示,由表1可知:齿轮轴的化学成分符合GB/T 5216—2014 《保证淬透性结构钢》对20CrMnTi钢的要求。

表1 齿轮轴化学成分分析结果 %

1.3 硬度测试及渗碳层分析

齿轮轴断口处的硬度测试结果如表2所示,由表2可知:渗碳层深度为1.25 mm,结果不符合技术要求规定的1.8～2.0 mm。

表2 齿轮轴断口处的硬度测试结果

1.4 SEM分析

将断口试样进行超声清洗,再将其置于扫描电子显微镜下观察,断口试样的SEM形貌如图3所示,由图3可知:断口磨损较为严重,可见擦伤及异物覆盖;断口扩展区可见二次裂纹;断口瞬断区呈准解理+韧窝形貌特征。

图3 断口试样的SEM形貌

1.5 金相检验

在断裂源区截取金相试样,经处理后,将试样置于光学显微镜下观察,试样抛光态形貌如图4所示,测得源区附近的半径为1.56 mm,而客户提供的技术要求是2.50 mm,实际所测半径小于技术要求,圆弧面不平滑。形状尺寸发生突变会引起受力构件局部范围内应力增大[2],而齿轮轴断裂源区的半径偏小且圆弧面不平滑增大了该处的应力集中程度。

图4 断裂源区试样抛光态形貌

将断裂源区附近的剖面试样腐蚀,再将其置于光学显微镜下观察,其显微组织为回火针状马氏体+颗粒状碳化物+少量残余奥氏体,为正常的渗碳淬回火组织[3],断裂源区附近的剖面试样微观形貌如图5所示。

图5 断裂源区附近的剖面试样微观形貌

2 综合分析

断裂齿轮轴的化学成分符合GB/T 5216—2014对20CrMnTi钢的要求;其渗碳层深度为1.25 mm,低于技术要求规定的1.8～2.0 mm;断裂齿轮轴的显微组织为回火针状马氏体+颗粒状碳化物+少量残余奥氏体,为正常的渗碳淬回火组织。

断口可见明显的疲劳贝纹线,呈疲劳断裂特征,贝纹线收敛于齿轮轴表面,说明齿轮轴的断裂性质为疲劳断裂,断裂起源于齿轮轴表面。断口大部分区域有严重擦伤,无法观察原始断口形貌,少量未擦伤区域可见二次裂纹,为疲劳断裂的微观形貌特征,与宏观分析结果相符。

齿轮轴渗碳层的深度不合格,渗碳层的高强度区面积减小,导致其半径处抗疲劳性能降低,最终在齿轮轴的使用过程中,在应力集中处萌生微裂纹,在后续的使用过程中,受交变应力的作用,裂纹逐渐以疲劳形式扩展。

3 结论

齿轮轴半径小于技术要求,圆弧不平滑,加上渗碳层的深度不合格,导致在应力集中处萌生微裂纹,微裂纹以疲劳形式扩展,最终导致齿轮轴断裂。