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1、电子显微学报J . C h i n . E l -t , M i c ms c . S - 41 22 0 ( 4 ) : 4 1 2 一4 1 3 7 0 0 1 年 空气压缩机齿轮轴转子断裂原因分析 朱衍勇, 董 ( 钢铁研究总院 毅, 司红 北京 1 0 0 0 8 1 ) 某发电厂的空气压缩机齿轮轴转子, 是进口大型空气压缩机中的易损件。因进口齿轮轴转 子的价格十分昂贵, 发电厂为降低设备运行成本, 委托国内厂家仿进口齿轮轴原件设计制造了一 批国产化的齿轮轴转子, 替代进口 件。但是, 首批国产件在上机试用过程中发生了断裂失效, 使 用寿命远未达到设计要求。本工作主要应用S E M十E
2、 D S 对断裂齿轮轴的断口、 组织、 材料成份和 加工制造状态进行综合分析, 并解剖分析了进口齿轮轴。在此基础上, 得出了国产齿轮轴的断裂 失效原因和改进措施。 分析结果 1 . 断口分析断裂面处在齿轮轴与叶轮联接处的切槽底部应力集中位置, 图1 是断裂位置的形 状和裂纹走向示意图。该位置轴的 横截面外周形状为圆形顶角的三角形, 采用这种形状的配合 是为了使齿轮轴转动时能够带动叶轮旋转, 优于借助销钉等传动固定装置的配合方式轴端中 心有一深度大于切槽深度的螺纹孔。叶轮是直接套在三角形轴上, 通过螺栓拧人螺纹孔加以固 定。螺栓的拧人, 一方面使叶轮不会从齿轮轴的端部脱出; 一方面胀开齿轮轴端部
3、, 使齿轮轴外 表面与叶轮紧密配合, 以利于传动和防止运转过程中发生振动。在轴端开一根深切槽的目的, 就 是为了在拧人螺栓时齿轮轴端部能够更好地被胀开。 图2是断口的低倍形貌, 清晰的裂纹疲劳扩展的停止线形成典型的贝壳状花样。从图中花 样可以看出, 裂纹的起始位置是在切槽底部的直角根角线处。沿整条根角线有一扩展深度约 I m m的线性初始起裂区, 裂纹疲劳扩展的贝壳状花样的起点位置则是在初始起裂区靠切槽根部 的外缘尖角处。其扩展方向如图 1 中箭头所示, 开裂过程分两步: 1 . 沿整条根角线齐步扩展; 2 . 以切槽根部的外缘顶角为起点呈辐射状疲劳扩展。断裂源区和裂纹疲劳扩展区的显微断口分析
4、 表明, 起裂区附近和裂纹扩展区断口正常, 没有观察到沿晶断口和超标夹杂物等冶金缺陷。图3 是裂纹疲劳扩展区的断口微观形态。 2 . 国产件和进口件材质及制造情况分析成份分析表明, 国产件材料近似 1 2 C r 2 N i 4 钢, 进口件 材料相当于法国的 1 6 C N 6 钢, 两者镍的含量相差较多, 但都属于渗碳钢金相组织和显微硬度 分析结果为: 国 产件基体组织为回火马氏体, 基体的硬度值为4 3 7 ( H V o , ) ; 进口件基体组织为回 火马氏体和贝氏体, 相应显微硬度值远低于国产件, 约为3 5 4 ( H V _ ) 。如按黑色金属硬度和强度 换算经验关系换算成材料
5、强度, 则国产件基体材料的抗拉强度达到1 4 0 0 N l m 亩, 强度偏高。国产 件切槽处轴的表面。 有一厚度约0 . I m m的镀铬层, 如图4 0镀层显微硬度值高达 1 0 0 0 ( H 叽i ) o 镀铬层内还存在许多不规则裂纹。进口件切槽位置轴的表面没有进行镀铬处理。国产件和进口 件的切槽底部的根角线都是直角过渡 没有作圆弧过渡处理。国产件的切槽是电火花切割而成, 进口件则是机加工磨削而成 讨论和结论 断口分析表明, 该齿轮轴是起始于切槽根角线的裂纹疲劳扩展而导致的, 初始裂纹沿切槽根 旧川泊泪月旧渭绷渭泪川用引引川书书创豺朴4Jr拢终汁 电子显微学报 2 0 ( 4) 1
6、. C h i n . E I -1 , M i c ms c 阮 4 1 2一4 1 3 2 ( 1 0 1 年41 3 角线呈线性起裂。从裂纹的走向分析断裂位置的受力状态, 可见初始裂纹主要是受到螺栓拧紧 力在根角线处形成的弯曲应力的作用而产生的。裂纹的疲劳扩展则主要是受叶轮通过接触面施 加到齿轮轴切槽位置的应力所控制的。因此判断, 齿轮轴在安装叶轮时已在其切槽的根部产生 了胀裂, 运转过程中胀裂的初始裂纹发生疲劳扩展, 直到最后失稳断裂 以F 因素对国产件切槽位置的状态有害: . , 表面镀铬造成表层附近残余拉应力, 并易在硬 脆的镀层内产生微裂纹, 使得构件的抗疲劳性能降低。更严重的是
7、, 硬度很高的镀铬层, 减小了 表面的磨擦系数, 使得在正常的拧紧力下难以达到齿轮轴与叶轮的紧密配合. 为了防止叶轮松 动, 则需要增加预紧力, 从而在安装时易于造成切槽根部应力过大2 . 国产件材质较硬, 相应应 变能力较低, 对缺口的敏感性较大。3 . 切槽根部的形状使得切槽根角线严重应力集中。 可见, 对齿轮轴转子与叶轮配合端的强度、 表面硬度和切槽形状的不合理设计, 是造成齿轮 轴转子早期疲劳断裂的主要原因。仿制设计中片面强调了齿轮轴的表面硬度, 而没有注意区别 考虑齿轮轴各部位的性能要求。实际上齿轮轴要求高硬度的部位是齿轮部位, 该部位通常是采 用渗碳的方法来硬化表面, 以提高耐磨性。而在与叶轮的连接端则是要求有较好的咬合性和韧 性, 这里的表面硬度越高反而越不利。 针对上述结果, 采取如下措施将可以大大改善切槽根部的应力应变状态, 提高齿轮轴转子的 抗疲劳开裂性能, 进而提高齿轮轴转子的使用寿命二取消齿轮轴与叶轮接触表面的镀铬处 理。2 . 适当降低该端材料基体的硬度。3 . 改善切槽根部的形状, 使根角线位置呈圆弧过渡。 断裂位置 图 1 齿轮轴的形状和断裂位置示意图。图 2 图 4 断口的低倍形貌 ( B a r =t . . )。 图3 疲劳裂纹扩展区的断口微观形态 ( B a r =1 0 g . ) o国产件表面的镀铬M ( B 二二 1 0 p . )
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