分享：某高压断路器齿轮轴断齿原因

高压断路器是电力系统的重要组成部分,其主要作用是开断、关合线路的正常电流和故障电流,以确保电力系统的安全稳定运行。齿轮轴作为其中主要的传动件,一旦失效将导致断路器开合异常。某高压断路器在进行300次开合试验后动作异常,解体后发现一级齿轮轴与齿轮啃合处的齿牙全部断裂。该齿轮轴材料为20CrMnMo钢,其加工工艺为：锻造→正火→粗加工→渗碳→淬火→低温回火→精加工。笔者采用一系列理化检验方法分析了齿轮轴断齿的原因,以防止该类故障再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

断齿齿轮轴宏观形貌如图1所示。由图1可知：齿轮轴与齿轮啃合处齿牙全部沿齿根断裂,断口附近未发现明显塑性变形和剪切唇；断齿受力面上存在轻微的摩擦痕迹,该部位磨损量较小,为正常工作时产生的磨痕,且断裂齿根处未发现摩擦痕迹,说明磨痕不是齿轮轴断齿的原因。 

图  1  断齿齿轮轴宏观形貌

断口宏观形貌如图2所示。由图2可知：断口呈结晶状,具有浅灰色金属光泽；断口上可看到裂纹扩展棱线,根据棱线收敛方向可看出断口受力面上存在多处裂纹源,裂纹从受力面齿根处向非受力面方向扩展,呈多源脆性断裂特征。 

图  2  断口宏观形貌

1.2   化学成分分析

在齿轮轴基体上取样,采用直读光谱仪对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：试样的化学成分符合GB/T 3077—2015 《合金结构钢》对20CrMnMo钢的要求。 

1.3   硬度及渗碳层深度测试

依据GB/T 9450—2005 《钢件渗碳淬火硬化层深度测定校准》对齿轮轴有效硬化层深度进行测试,由于齿轮轴的齿牙上已完全渗碳,因此从其齿根圆处测试,结果如图3所示。该齿轮轴的图纸要求渗碳层深度为0.8~1.2 mm,实际有效硬化层深度约为1.16 mm,接近图纸要求的上限。 

图  3  有效硬化层深度测试结果

渗碳层硬度梯度曲线如图4所示。由图4可知：从表面至心部渗碳层硬度先升高后降低,齿轮轴渗碳层硬度要求为50~60 HRC,实测渗碳层表面硬度为56~58 HRC,次表面硬度为62~63 HRC,次表面渗碳层硬度高于设计要求；基体硬度要求为30~40 HRC,实测硬度为34~36 HRC,基体硬度符合设计要求。 

图  4  渗碳层硬度梯度曲线

1.4   金相检验

在齿轮轴断齿附近截取金相试样,采用光学显微镜对齿角、齿面、齿根和基体等部位进行观察,结果如图5所示。由图5可知：齿角组织为大块状及粗网状碳化物+粗针状马氏体+较多残余奥氏体；齿面和齿根处组织为网状碳化物+粗针状马氏体+较多残余奥氏体,且齿根处存在少量块状碳化物；基体组织为粗大低碳马氏体+少量贝氏体；参照GB/T 25744—2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》,碳化物评定为6级,马氏体及残余奥氏体评定为6级,属于过热组织,且渗碳层上碳元素质量分数偏高[1]。 

图  5  齿轮轴的显微组织形貌

1.5   扫描电镜（SEM）及能谱分析

采用扫描电镜观察断口的微观形貌,结果如图6所示。由图6可知：断口呈冰糖状沿晶开裂形貌,且晶粒粗大；裂纹从受力面沿晶界向非受力面扩展,裂纹源区及裂纹扩展区均存在沿晶二次裂纹,且裂纹源处存在块状物。 

图  6  断口SEM形貌

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采用能谱仪对裂纹源处的块状物和晶面进行能谱分析,分析位置如图6（b）所示,分析结果如图7所示。由图7可知：块状物中主要含有铁元素和碳元素,其中碳元素质量分数约为10%,而晶粒表面几乎未检测到碳元素,结合金相检验结果,可判断裂纹源处块状物为碳化物。 

图  7  块状物及晶面处能谱分析结果

2.   综合分析

由以上检验结果可知,齿轮轴表面碳元素含量偏高,且晶粒粗大,但渗碳层深度符合设计要求,说明齿轮轴的渗碳过程提高了碳势及渗碳温度,且缩短了渗碳时间[2]。 

渗碳时温度及碳势偏高使奥氏体晶粒粗大、奥氏体中合金元素增多,合金元素使奥氏体的稳定性变大,经淬火回火后,渗碳层表面会出现粗针马氏体及大量残余奥氏体。同时,渗碳层表面碳元素含量偏高,导致其临界温度升高,淬火时易使碳化物呈块状及网状析出,尖角效应使该现象在齿角处更为明显[3]。

渗碳层整体硬度偏高,但渗碳层表面的大量残余奥氏体使表面硬度有所降低[4],这使得渗碳层硬度由表面至心部呈先升高后降低的趋势,因此出现了渗碳层表面硬度合格而次表面硬度偏高的现象。 

齿轮轴晶粒粗大,且组织中存在粗针状马氏体、大块状碳化物及网状碳化物等脆性相,使得材料脆性增大、强度降低。齿根处为应力集中部位[5],该处的块状碳化物破坏了材料表面的连续性,使应力集中的情况加剧,网状碳化物的存在使裂纹容易沿晶扩展。在应力作用下,齿根碳化物处首先产生显微裂纹,裂纹沿奥氏体晶界扩展,最终导致齿轮轴发生多源脆性断裂。 

3.   结论及建议

齿轮轴在生产的过程中碳势及渗碳温度偏高,缩短了渗碳时间,使材料晶粒粗大,且产生了粗针状马氏体、大块状碳化物及网状碳化物等脆性相,在应力作用下,齿根碳化物处首先产生显微裂纹,裂纹沿奥氏体晶界扩展,最终导致齿轮轴发生多源脆性断裂。 

在生产过程中,对于形状复杂的零部件,建议严格按照热处理工艺参数进行生产作业。在检验过程中,采用常规的渗碳层深度及表面硬度测试方法不易发现该类零件的缺陷,建议在采用金相检验法检测渗碳层深度时,仔细观察渗碳层表面,特别是观察尖角部位是否存在组织缺陷。

文章来源——材料与测试网