压缩机变速箱齿轮断齿失效分析

压缩机变速箱齿轮断齿失效 11 1 2杨小垒 ，邓德伟 ，葛言柳 ，陈 炜 (1. 大连理工大学材料科学与工程学院 大连 116024;2. 沈阳鼓风机(集团)有限公司 沈阳 110142) 摘 要:某型号压缩机在安装运转过程,变中速箱齿轮在高速运转过程中发生断齿失效进行了分，并析依据国家通过硬、度金相、 扫描和力学性能等手段对工件进行了分析检测，发现齿轮失效主要是由于热处理工艺不当而形成魏氏组织的造成的。 关键词:齿轮;失效分析;断齿;魏氏组织;氮化 中图分类号:TG142.4 文献标志码: A Broken toothfa ilure analysis of transmission gearo f compressor 1 1 1 2YANG Xiao-lei，DENG De-wei，GE Yang-liu，CHEN Wei (1. College of Materials Science andE ngineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024; 2. ShenyanBgl ower Works Group Co., Ltd.S, henyang 110142) Abstract:Broken tooth occurretod a transmission gear tootho f a Compressor rdinug its high-speed operation. According to the standardasn d with the methodosf microhardness, metallography, SEM and mechanical tests, thfea ilure wasa nalyzed in the papeItr .i s found that geafra ilure wasm ainly due to thfeo rmation of widmanstaten caused biym. proper heatt reatment. Key words:gear; failure analysis; broken tootwh;i dmanstaten; nitride 1 引言 某型号压缩机在安装运行后约 18 天，首先发现变速器振动异常，相关人员为降低振动采取相应措施，但最 终没有能够阻止事故发生，随后的几小时之内，压缩机发生连锁跳闸，事后经拆检变速箱，发现变速箱齿轮发 生严重破坏，有些部位出现断齿，破坏后齿轮事物图见 图1，图 1(a)为失效变速箱齿轮，图 1(b)为齿轮上剥落的齿条。 [1-4]变速箱齿轮部件，其材质为 35CrMoV钢 ，其制造工艺:原料?锻造?热处理(电炉 900?10?正火，调质 处理:电炉 900?10?油冷淬火，电炉 660?10?回火)?机加工?稳定化处理(电炉 600?10?随炉冷却)?机械精加 工?离子(515?10?气压 3-6乇 8-9 小时，继续升温至 530?10?气压 3-6 乇 10-12小时 )氮化，其中锻造工艺由厂 A 执行，之后的工艺由厂 B 执行。变速箱是富气式压缩机的关键部件，它的可靠性直接影响着整台压缩机的可靠 性和安全性。本文对此次变速箱齿轮失效进行了分析，发现调质处理不当形成的魏氏组织是造成本次齿轮失效的 主要原因。 (b) (a) 图 1 实物图:(a)失效变速箱齿轮实物图(;b)断齿实物图。 Fig.1 Physical map: (af)a ilure gear; (b) broketoon th. 2 失效分析结果 2.1 宏观分析 对图 1(a)中齿轮局部放大见图 2(a)，可见整个齿轮面上大面积齿条断裂剥离，齿轮局部甚至有整根齿条从 根部全部剥离掉的现象。对剥落齿条局部放大见图 2(b)，断齿的断裂面全部呈现两区式分布，齿条断口可见明显大 收稿日期:2011-05-27 基金项目:国家自然科学基金(11072045) 作者简介:杨小垒(1987-)，男，山西阳泉人，大连理工大学，材料科学与工程学院硕，士主要研究方向:金属材料面加工，堆焊 范围撕裂区和狭窄光滑区，撕裂区中撕裂棱走向表明，齿条断裂开始于齿条根部边缘，且呈多源开裂特征。断 齿根部粉碎性断裂见图 2(c)，齿根处裂纹走向表明，开裂处受到较大横向力和纵向力(轮齿间正常作用力)共同 作用，裂纹走向与齿根线约为 30?。 (a) (b) (c) 图 2 (a)齿轮局部放大;(b) 断齿局部放大;(c) 断齿侧面。 Fig.2 (a) Part aroefa t he gear; (b) part oaref thae broken tooth; a(csi)d e of the brokentoo th. 2.2 原料检测 根据《35CrMoV 化学成分及机械性能 GB/T3077-1988》对材料成分进行测试，结果见表 1。依据《金属拉伸 试验方法 GB/T228-2002》和《金属冲击试验方法 GB/T229-1994》对材料机械性能进行了测试，齿轮本体力学性 能全面低于国家标准，尤其是冲击功，只打到标准的一半左右。 表 1 齿轮原料成分测试结果(%) Table1C omposition test results of the transmission gear material( %) V C Si Mn P S Cr Mo 元素 0.34-0.42 0.17-0.37 0.40-0.70 1.0-1.3 0.20-0.30 0.1-0.2 标准含量 0.035以 下 0.035以 下 0.15 测试含量 0.36 0.31 0.56 0.018 0.009 1.2 0.87 表 2 齿轮原料调质后力学性能测试结果 Table2 Mechanical test results of the transmission gear materia l-2-2项目 抗拉强度/N?mm 屈服强度/N?mm 延伸率/% 冲击功/J 技术要求 ?1080 ?930 ?14 ?88 测量结果 929.5 876.4 20.13 47 2.3 金相和硬度分析 在失效后的齿轮表面取样，根据国家标准，采用 ECLPSE -MA100型 金相显微镜和 MVC-1000B型 维氏硬度 [5]计(载荷 0.3kg，加载时间 15s)对样品 1 的氮渗层深度和微观组织进行了检测，见图 3。齿轮基体微观组织见图 3(a)，可见心部组织不均匀，呈现长条状铁素体和珠光体组织，为魏氏组织，根据《钢的显微组织评定方 法GB/T13299-199》判断魏氏组织级别1为 2 级。氮化表面附近组织见图 3(b)，根据《钢铁零件渗氮层深度测定和金 相金相组织检验 GB/T11354-2005》，表面氮化物层厚度为 5-8μm，氮化层有效深度为 476μm，氮化试件表面硬度 为 669.8HV，心部硬度为 301.5HV，氮化区域硬度梯度见图 4。 (a) (b) 图 3 微观组织 (a)基体组织;(b)氮化组织。 Fig.3 Metallographic: (a) centre parti cmrostructure of the smaple ; (b) nitrided microstructure of the smaple . 图 4 氮化区域硬度梯度曲 线 Fig.4 Hardnessr agdient curve near theitr nided layer 2.4 断口电镜分析 图 5 扫描电镜分析结果，图 5(a)为样品心部 10000倍下的魏氏组织，可见清晰地粗大维氏组织周围有部分 细 小索氏体组织存在。图 5(b)和图 5(c)是图 2 中断齿断口的扫描电镜观察结果，图 5(b)可见，开裂起源于轮齿外表 面，也就是渗氮层表面，然后，裂纹向轮齿心部扩展， 图5(c)为整个断裂面从开裂源区和裂纹扩展区的典型形貌， 呈现河流花样，是典型的解理断裂，显示轮齿失效形式为脆性断裂。 (a) (b) (c) 图 5 扫描电镜分析结果:(a)魏氏组织形貌 X10000;(b)裂纹源形貌 X100;(c) 扩展区形貌 X1800。 Fig.5 SEM results: (a) microstructure of widmanstaten X10000; (b) cracsouk rceX 100;(c ) crackex tension X1800 .3 讨论 钢中魏氏组织的形成，主要取决于其含碳量、转变温“度冷却速度”和奥氏体晶粒大小。在等温冷却时，魏氏 [5-6]组织具有一个上限温度，在这个温度以上，魏氏组织不能形成。含碳量越高，晶粒愈细，其上限温度也愈低。 在连续冷却时，魏氏组织只能在一定的冷却速度下形成，过慢或过快的冷却都会阻止它的形成，因为过慢的冷 却 [7-10]有利于铁原子的扩散而形成网状铁素体，过快的冷却致使碳原子来不及充分扩散而阻止魏氏体的形成。另 外在正常的奥氏体晶粒度的情况下，只有在狭窄的含碳量范围(内0.15%-0.35%)和较快的冷却速度下(140?/s)才会形 成魏氏组织,且随着冷却速度的加快,形成魏氏组织的含碳量范围向低碳含量的一侧移动,而在奥氏体晶粒粗大时,即 [6, 10-11]使在较宽的含碳范围内和较低的冷却速度下,都可形成魏氏组织。 魏氏组织对材料性能的影响极大，针片状组织会割裂钢的基体，降低钢的韧性。在拉伸试验中又阻碍试样 伸长，因而导致延伸率降低;魏氏组织，由于魏氏组织是在较大的过冷度下形成，试样存在内应力，应力集中的 程度直接影响着上屈服应力的大小，严重时，上屈服应力就会降低到下屈服应力的水平，导致屈服点不明显甚至 不出现屈服现象;较大过冷度导致魏氏组织形成的同时，还会造成钢管轧制温度较低，由于回复与再结晶属于扩 散过程，需要较高的温度和一定的时间，当形变速度大于再结晶速度时使得动态回复与再结晶不完全，出现加工 硬[5, 9,1 1]化，这也影响钢管的屈服效应和降低钢管的塑性。 本次压缩机变速箱齿轮失效主要与材料中的魏氏组织有关，材 料 35CrMoV(含碳量 0.36%)中魏氏组织的形成 与锻造工艺和热处理工艺有关，锻造温度过高或锻造时间过长，淬火温度过高或淬火保温时间过长，回火时 间过[1, 5, 12]长等不当的锻造和热处理工艺都会导致坯料奥氏体晶粒会急剧长大成粗晶 粒，最终形成魏氏组织(但是厂 A [7]的锻造工艺已无法找到，所以无法确定魏氏组织产生于那个阶)段。文献中指出，差的基体组织不仅导致工件整 体的强度与韧性下降，并会影响后续的氮化工艺的品质，细小的回火索氏体组织经过氮化处理之后会产生高硬 度且致密的氮化层，提高工件表面耐磨损和抗疲劳性能，而本次失效工件中基体组织为魏氏组织，不仅是工件整 体强度和塑韧性下降，并使得氮化后的表面氮化物层疏松，并有甚至开裂，这样的组织即使印度达到了指定要求 ，但是后续的使用过程中会因为氮化物与基体结合不紧密以及氮化物本身的疏松而迅速磨损消耗，见 2，起不图到 保护工件的作用。 4 结论与对策 综上所述，对于本次压缩机变速箱齿轮失效得出以下结论并给出一些技术对策。首先，本次齿轮断裂失效 属于脆性断裂，主要原因是，锻造或热处理工艺不当导致基体产生魏氏组织;其次，魏氏组织的产生会降低工件 整体的强度与韧性，并降低后续的氮化工艺品质，使氮化后表面氮化工艺变差;最后，为避免类似情况的发生， 在以后的类似齿轮制造过程中，应并严格执行锻造和热处理工艺，对热处理后的材料组织及力学性能进行检， 验以便对材料和工件进行正确的后续处理。 参考文献: 1 李锁才. 35CrMoV钢抗拉强度与硬度关系的探 J讨. 理化检验(物理分册):2001，(12)，514-516+530. 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