17CrNiMo6钢齿轮断裂原因分析.pdf

第3 3 卷第6 期 2 0 1 3 年1 2 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 3 №6 D e c e m b e r2 0 1 3 1 7 C r N i M 0 6 钢齿轮断裂原因分析① 彭碧草1 ”，沈丁杰1 ’2 ，唐远富1 ’2 ，龙毅Ⅵ，黄桥生2 1 ．湖南省电力公司科学研究院，湖南长沙4 1 0 0 0 7 ；2 ．湖南省湘电锅炉压力容器检验中心有限公司，湖南长沙4 1 0 0 0 4 摘要采用理化检验及A n s y s 力学模拟分析了某电厂磨煤机减速机中速齿轮断齿的原因。分析表明齿轮中2 ．5 级D 类夹杂物 是导致裂纹产生的主要原因，齿轮咬合面次表层在受力作用下呈应力集中状态是裂纹萌发的促进因素，两者的综合作用最终导致 齿轮断裂。 关键词1 7 C r N i M 0 6 ；齿轮；裂纹；夹杂物；应力集中 中图分类号T B 3 0 1文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 3 ．0 6 ．0 2 7 文章编号0 2 5 3 - 6 0 9 9 2 0 1 3 0 6 0 1 0 1 0 2 A n a l y s i so f17 C r N i M 0 6S t e e lG e a rF r a c t u r e P E N GB i ．c a 0 1 一，S H E ND i n g - j i e l 一，T A N GY u a n f u l ”，L O N GY i l ”，H U A N GQ i a o s h e n 9 2 1 ．E l e c t r i cP o w e rR e s e a r c hI n s t i t u t eo f H u n a nE l e c t r i cP o w e rC o m p a n y ，C h a n g s h a4 1 0 0 0 7 ，H u n a n ，C h i n a ；2 ．H u n a n X i a n g d i a nB o i l e rP r e s s u r eI n s p e c t i o nC e n t e rC OL t d ，C h a n g s h a4 10 0 0 4 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t T h ef r a c t u r eo fm e d i u m ．s p e e dg e a ri nm i l lr e d u c e ro fo n ep o w e rp l a n ti sa n a l y z e db yp h y s i c a la n dc h e m i c a l t e s t i n ga n dA n s y sm e c h a n i c a ls i m u l a t i o n ．T h er e s u l t ss h o wt h a tG r a d e2 ．5C l a s sDi n c l u s i o n si nt h eg e a ra r et h em a i n c a u s ef o rt h ec r a c k s ．S t r e s sc o n c e n t r a t i o no ft h es u b s u r f a c eo ft h eg e a ro c c l u s a ls u r f a c eu n d e rt h ef o r c ec a np r o m o t et h e g e n e r a t i o no fc r a c k s ．T h ec o m b i n e de f f e c t so ft h et w of a c t o r sl e a dt og e a rf r a c t u r ef i n a l l y ． K e yw o r d s 1 7 C r N i M 0 6 ；g e a r ；c r a c k ；i n c l u s i o n ；s t r e s sc o n c e n t r a t i o n 对于承受重载、冲击和复杂应力的齿轮，要求其具 有耐磨、抗表面接触疲劳和抗弯曲疲劳等综合性 能] 。1 7 C r N i M 0 6 钢具有高强度、高韧性和高淬透性 等优点，主要应用于传递较大动力和承受较大载荷的 齿轮，广泛应用于矿山、运输、机车牵引、起重和风力发 电等工业领域[ 2 。3 ] 。湖南省某电厂 3 B 磨煤机减速机 中速齿轮在使用3 年后检查发现一处断齿，经调查确 认该齿轮材质为1 7 C r N i M 0 6 ，模数m 3 4 ，齿数Z 5 7 ， 本文通过理化检验、A n s y s 力学模拟等分析齿轮断齿 原因。 1 理化检验 1 ．1 断齿宏观形貌 3 B 磨煤机减速机中速齿轮在使用约3 年后，检 查发现一处断齿，断齿宏观形貌如图1 所示。 对断齿崩片进行体式显微镜宏观检查发现 见图 2 ，裂纹起源于齿轮轮齿上部靠近咬合面处，裂纹沿 咬合面至咬合面背面下部向外部扩展，最终发生断裂。 图l 断齿宏观照片 断齿齿轮； b 断齿崩， 图2断齿体式显微镜宏观照片 1 ．2 洛氏硬度检测 利用洛氏硬度计对齿轮工作面进行硬度检测，检 ①收稿日期2 0 1 3 0 6 2 1 作者简介彭碧草 1 9 8 2 - ，男，湖南湘乡人，工程师，博士，主要从事电力设备检测与失效分析。 万方数据 矿冶工程第3 3 卷 测结果见表1 。由表1 可以看出，齿轮表面硬度均匀， 表面硬度符合J B ／T 6 3 9 5 - 2 0 1 0 标准要求。 表1 断齿表面洛氏硬度测试结果 1 ．3 化学分析 利用合金光谱分析仪对断齿崩片进行成分检测， 检测结果如表2 所示。由表2 可以看出，齿轮材料化 学成分符合B ／T 6 3 9 5 - 2 0 1 0 标准要求。 表2 断齿合金成分分析结果 质量分数 ／％ 1 ．4 金相分析 1 非金属夹杂物将试样经磨制、抛光后，按照 G B ／T1 0 5 6 1 2 0 0 5 进行夹杂物评级。齿轮崩片夹杂物 金相照片见图3 。评级结果D 类夹杂物为2 ．5 ，夹杂物 含量超标。 黝 霪 攀 0 0 E m 图3 齿轮崩片夹杂物照片 2 组织分析经4 ％硝酸酒精溶液复试后观察，渗 层组织为回火马氏体 少量的颗粒状碳化物，细小的 碳化物均匀分布，组织均匀正常，渗碳层上未发现网 状、块状碳化物及粗大马氏体等不良组织，见图4 。芯 部组织为回火马氏体，组织均匀正常，见图5 。 图4 断齿表面金相组织 回火马氏体 少量碳化物 图5 断齿芯部金相组织 回火马氏体 2A n s v s 分析 从金相分析中可以知道，渗碳层未发现网状、块状 碳化物等其他不良组织，芯部组织为均匀分布的马氏 体组织，因此，可以排除金相组织异常的影响。为了分 析齿轮在运行中的受力状况，利用A n s y s 软件对齿轮 在受力状况下的受力分布进行模拟，齿轮受力M i s e s 等效应力图如图6 所示。由A n s y s 分析结果可知，在 齿轮咬合面受力条件下，咬合面次表层易产生应力集 中现象，当应力超过剪切应力时，将会形成裂纹源，同 时可知当在咬合面次表层生成裂纹源后，裂纹将沿着 应力较高区域扩展，即由咬合面次表层向咬合面背面 下方扩展。 ，I Q Ⅳf n s 嚣嚣，⋯州 图6 轮齿受力下M i s e s 等效应力图 3 齿轮断裂原因分析 1 从金相分析可知，齿轮中夹杂物超标，齿轮受 力时容易在夹杂物附近产生应力集中，当应力超过剪 切强度时，将会萌生微裂纹。 2 通过A n s y s 力学模拟分析可知，当齿轮在受力 状态下，应力集中部位发生在咬合面次表层，应力集中 部位是促进裂纹加速扩展的主要因素。 综上可知，夹杂物导致的应力集中及齿轮咬合面 受力时次表面应力集中的综合作用下致使咬合面次表 层的夹杂物易萌生出微裂纹，随着齿轮的运行，微裂纹 沿着应力较大方向扩展，即由咬合面次表层向咬合面 背面下方扩展，最终导致齿轮呈崩裂状断裂H 。5 ] 。 下转第1 0 6 页 万方数据 1 0 6 矿冶工程第3 3 卷 第2 3 0 个载荷步 图5 第2 3 0 个载荷步作用时示意图 1 6 1 9 ．9 9 l 1 5 0 7 6 2 1 3 9 7 ．S 3 l 1 2 8 矗3 p1 1 7 5 ．0 6 9 裔1 1 h 5 3 ．8 3 8 理 9 5 2 ．6 0 7 8 4 1 ．3 7 6 7 3 1 1 ．1 4 5 6 1 8 9 1 4 5 0 7 ．6 8 3 2 0 6 7 ．4 9 3 1 9 2 3 ．8 3 2 1 7 { j 0 ．1 6 9 1 6 3 6 ．s 0 6 p1 4 9 2 8 4 3 州1 3 4 9 ．1 8 赠1 2 0 55 1 7 l I 6 1 ．8 S 4 9 1 8 ．1 9 1 7 7 4 ．5 2 8 6 3 0 ．8 6 5 图6 沿直线a b 方向的温度变化 a 激光功率7 0w ； b 激光功率9 5W 6 试验验证 选取激光功率9 5w 、7 0w ，扫描速度为5 0m m ／s 进行试验，得到的样品表面形貌如图7 所示。可以看 出，激光功率在9 5w 下成形时样品表面较粗糙，球化 现象严重，而在7 0w 功率下成形时样品表面较平整、 细致。这是因为在9 5W 激光功率下，粉末获得更多 的激光能量，形成较大的熔池，熔化宽度达到0 ．2 5 m m ，由于扫描间距只有0 ．1m m ，导致铁粉多次被重 熔，产生更多的液相，从而导致球化严重；在7 0W 功 率下成形时，熔化宽度只有0 ．1 5m m ，刚好使两条相邻 扫描线紧密熔合在一起而无多次重熔，从而显示出较 平整的表面形貌，与模拟结果一致。 参考文献 图7 不同功率下样品表面形貌 a 激光功率9 5w ； b 激光功率7 0w E d s o nC o s t aS a n t o s ，M a s a n a r iS h i o m i ，K o z oO s a k a d a ，e ta 1 ．R a p i d m a n u f a c t u r i n go fm e t a lc o m p o n e n t sb yl a s e rf o r m i n g [ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u m a lo fM a c h i n eT o o l s ＆M a n u f a e t u r e ，2 0 0 6 ，4 6 1 0 1 4 5 9 1 4 6 8 ． O s a k a d aK ，M a s a n o r iS h i o m i ．F l e x i b l em a n u f a c t u r i n go fm e t a l l i c p r o d u c t sb ys e l e c t i v el a s e rm e l t i n g o fp o w d e r [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o fM a c h i n eT o o l s M a n u f a c t u r e ，2 0 0 6 ，4 6 1 1 11 8 8 一l1 9 3 ． 赵宝军，施法中，冯涛，等．选区激光烧结成型中致密度的数值 模拟与实验[ J ] ．激光技术，2 0 0 3 ，2 7 1 4 0 4 3 ． C h i l d sTHC ，H a u s e rC ，M B a d r o s s a m a y ．S e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g m e l t i n g o fs t a i n l e s s a n dt o o ls t e e l p o w d e r s E x p e r i m e n t s a n d m o d e l i n g [ J ] ．P r o c e e d i n g so ft h eI n s t i t u t i o no fM e c h a n i c a lE n g i n e e r s ， P a r tB J o u r n a lo f E n g i n e e r i n gM a n u f a c t u r e ，2 0 0 5 ，2 1 9 4 3 3 9 3 5 7 ． 姚化山，史玉升，章文献，等．金属粉末选区激光熔化成形过程 温度场模拟[ J ] ．应用激光，2 0 0 7 ，2 7 6 4 5 6 4 6 0 ． 李吴，沈以赴，李守卫，等．激光扫描路径对直接金属激光烧结 温度场的影响[ J ] ．南京航空航天大学，2 0 0 5 ，3 7 5 6 3 8 - 6 4 2 ． 沈显蜂，王洋，姚进，等．直接金属选区激光多道烧结温度 场有限元模拟[ J ] ．四川大学学报 工程科学版 ，2 0 0 5 ，3 7 1 4 7 5 1 ． 上接第1 0 2 页 4 结论 此次齿轮断裂主要是由于齿轮中2 ．5 级D 类夹杂 物的存在，同时齿轮咬合面次表层在受力时呈应力集 中状态是裂纹产生的促进因素，两者的综合作用最终 导致齿轮断齿。 参考文献 [ 1 ] 李宝奎，王爱香，赵少甫，等．1 7 C r N i M 0 6 钢渗碳淬火畸变特性及 其控制的研究[ J ] ．热处理技术与装备，2 0 0 7 ，2 8 2 3 6 - 3 8 ． [ 2 ]陈珂．1 7 C r N i M 0 6 钢齿轮渗碳缓冷裂纹分析及防止措施[ J ] ．机 械工程师，1 9 9 9 1 0 5 5 5 5 ． [ 3 ] 吴正锡．高强度渗碳齿轮钢1 7 C r N i M 0 6 的研究[ J ] ．四川冶金， 1 9 9 3 ．1 5 3 3 6 - 3 9 ． [ 4 ]张爱梅．非金属夹杂物对钢性能的影响[ J ] ．物理测试，2 0 0 6 ，2 4 4 4 2 4 4 ． [ 5 ] 阴志国．非金属夹杂物对钢性能的影响[ J ] ．中国科技博览， 2 0 1 2 ，2 4 4 3 4 4 3 5 ． 1 2 3 4 5 6 7 l - 心 口 H b 哺 “ 万方数据