文／李海龍，郭忠昌，黃佳偉·湖州吉凱思檢測服務(wù)有限公司

湯敏僧，梁光書·浙江杰德機(jī)械科技有限公司

齒輪箱在機(jī)械制造中的應(yīng)用很廣泛，尤其在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中經(jīng)常用到，而且是一個重要的機(jī)械部件，其主要功用是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。通常風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速很低，遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)電機(jī)發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實(shí)現(xiàn)，故也將齒輪箱稱之為增速箱。

高速軸在齒輪箱中起到紐帶作用，承受較大的扭矩及沖擊力，因此軸本身的質(zhì)量好壞影響著齒輪箱的使用壽命，本文針對某公司生產(chǎn)的高速軸失效情況進(jìn)行分析，通過高低倍檢測、無損檢測、宏觀斷口分析及成分分析等手段找出影響軸失效的根本原因，從而優(yōu)化生產(chǎn)過程的工藝執(zhí)行和控制。

高速軸的技術(shù)要求

高速軸的材質(zhì)為20Cr2Ni2Mo，生產(chǎn)工藝流程為電渣錠→下料→加熱→鍛造→熱處理→機(jī)加工→檢驗(yàn)→發(fā)貨。

技術(shù)要求

⑴表面硬度要求≤300HBW，單件硬度差≤30HBW。

⑵鍛比≥4。

⑶性能檢測要求：抗拉強(qiáng)度≥1080MPa；屈服強(qiáng)度≥850MPa；延伸率≥11%；斷面收縮率≥35%。

⑷無損檢測UT 齒部單個缺陷當(dāng)量≤0.8mm；非齒部單個缺陷當(dāng)量≤1.6mm，不允許有密集缺陷。

⑸晶粒度細(xì)于5 級。

⑹夾雜物要求見表1。

表1 夾雜物要求

⑺鋼錠采用電弧爐+精煉+真空脫氣+電渣重熔，化學(xué)成分見表2，[H]≤1.5PPm；[O]≤15PPm；[N]=70 ～160PPm。

表2 高速軸的化學(xué)成分含量(wt%)

高速軸的生產(chǎn)過程

⑴采用1.5t 鋼錠去除水冒口后下料，單件產(chǎn)品重量670kg，加熱溫度1220℃，保溫3 小時后開始鍛造，鍛造采用兩鐓三拔工藝，鍛比大于7。

⑵鍛后空冷到450℃左右入爐進(jìn)行熱處理，熱處理加熱溫度930℃，保溫8 小時；在爐臺上風(fēng)冷到450℃后，再次入爐加熱至710℃，保溫25 小時后爐冷到500℃后出爐空冷。

⑶按照工藝圖紙粗加工，粗加工后進(jìn)行UT 檢測。

失效分析

此軸類鍛件生產(chǎn)完成后，軸類鍛件在超聲波檢測時發(fā)現(xiàn)存在通長的密集型缺陷且缺陷波大于底波，不符合驗(yàn)收要求。通過UT 定位缺陷位置，對缺陷進(jìn)行解剖，主要通過低倍、高倍、斷口分析以及原材料氣體含量分析對缺陷性質(zhì)做出定性判斷。

超聲波檢測

檢測器材及參數(shù)：UT 設(shè)備型號為USM36，耦合劑為機(jī)油，探頭為2.5P20Z，靈敏度為φ2mmFBH。

鍛件超聲波檢測波形顯示見圖1，可看出：對軸類鍛件進(jìn)行超聲檢測后發(fā)現(xiàn)，距鍛件表面50～250mm范圍內(nèi)存在通長密集缺陷回波且缺陷波大于底波。

圖1 鍛件超聲波檢測波形顯示

滲透探傷檢驗(yàn)

首先對橫向試塊進(jìn)行了滲透探傷檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示，試塊上能看到不同長度的細(xì)小發(fā)紋，呈放射狀或不規(guī)則狀排列。

圖2 滲透缺陷形貌

低倍檢驗(yàn)

解剖試塊在經(jīng)滲透探傷檢驗(yàn)后，經(jīng)熱酸腐蝕后進(jìn)行低倍檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。試塊內(nèi)發(fā)現(xiàn)有大量的細(xì)小裂紋。

圖3 低倍組織形貌

高倍檢驗(yàn)

在低倍檢測缺陷處取高倍試樣，磨制縱向剖面按GB/T 10561-2005 對非金屬夾雜物含量進(jìn)行評級，結(jié)果如表3 所示。

表3 非金屬夾雜物等級

經(jīng)夾雜分析，未見明顯超標(biāo)夾雜物。經(jīng)顯微觀察，圖4 和圖5 可看出裂紋形態(tài)曲折、連續(xù)、端部尖銳，首尾呈一定角度，具有白點(diǎn)裂紋的微觀特征。

圖4 高倍組織形貌1

圖5 高倍組織形貌2

斷口分析

在缺陷處取斷口試樣，如圖6 所示。從試樣斷口觀察，斷口基體上分布銀白色斑點(diǎn)，是典型的白點(diǎn)裂紋。

圖6 斷口形貌

原材料氣體含量分析

在20Cr2Ni2Mo 電渣錠原材料1/4 位置上取氣體試樣，檢測發(fā)現(xiàn)H 含量為3.66ppm。H 含量超標(biāo)，鍛件UT 失效主要原因?yàn)榘c(diǎn)裂紋。

通過低倍解剖分析、高倍試驗(yàn)分析、斷口形態(tài)分析及原材料氣體含量分析得出的一致結(jié)論：此失效為白點(diǎn)引起的。

改善措施

⑴電渣錠在冶煉時，采用惰性氣體保護(hù)技術(shù)或真空控制技術(shù)進(jìn)行冶煉，控制材料中的氫含量；

⑵將原加熱工藝中的1220℃變更為1250℃進(jìn)行充分?jǐn)U散；

⑶合理分配每火次的鍛造比，尤其是最后一火次的鍛比確保大于1.6；

⑷熱處理正火溫度由930℃調(diào)整為950℃，風(fēng)冷到450℃左右直接回爐升溫變更為在450℃左右保溫12 小時后再升溫，回火溫度由710℃調(diào)整為720℃，時間由目前的25 小時增加到40 小時。

結(jié)論

經(jīng)過對高速軸鍛件的冶煉及鍛造工藝改進(jìn)后，內(nèi)部組織、金相及無損檢測均滿足客戶要求且未再出現(xiàn)內(nèi)部開裂的缺陷產(chǎn)品，在解決此類問題的過程中，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)生產(chǎn)20Cr2Ni2Mo 高速軸鍛件提供了一套可操作且標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)工藝控制流程，有效提高了鍛件的質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性。