1 序言 

鼓網(wǎng)減速齒輪箱通過低速電動(dòng)機(jī)、中高速電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)一級齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)，傳動(dòng)至減速機(jī)二級齒輪箱，再由二級齒輪箱帶動(dòng)鼓網(wǎng)驅(qū)動(dòng)軸，進(jìn)而帶動(dòng)鼓網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)。某電廠鼓網(wǎng)齒輪箱在運(yùn)行過程中，齒輪箱二級減速器蝸桿軸發(fā)生斷裂。本文對斷裂試樣進(jìn)行了成分、微觀組織和硬度檢測，并結(jié)合運(yùn)行工況對其進(jìn)行了失效分析。

2 宏觀觀察 

圖1所示為斷口的宏觀形貌。

蝸桿軸斷裂于中高速電動(dòng)機(jī)側(cè)鍵槽位置，斷面較為平整，除鍵槽對側(cè)有較小區(qū)域的輕微變形外，斷口整體無明顯塑性變形，為脆性斷口。

3 理化檢驗(yàn)

3.1 化學(xué)成分分析

對斷裂的蝸桿軸部取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測標(biāo)準(zhǔn)為GB/T4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》，主要成分見表1。

從表1可看出，試樣CF1和CF2主要成分相當(dāng)于GB/T5216—2014《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》中的16MnCrS5鋼。

3.2 金相檢驗(yàn)

對蝸桿軸的斷口橫截面取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

同時(shí)對縱截面取樣進(jìn)行非金屬夾雜物 檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，軸部位各取樣位置表層和基體的顯微組織均為貝氏體+鐵素體，鐵素體呈網(wǎng)狀分布，為非調(diào)質(zhì)態(tài)組織，且表面無滲碳淬火強(qiáng)化組織。非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果表明，斷口附近及斷口遠(yuǎn)端未開裂側(cè)鍵槽處縱截面取樣的非金屬夾雜物均為A類粗系3級（A3e），參考GB/T5216—2014，非金屬夾雜物等級已超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值（A2.5e）。

3.3 硬度測試

依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》對斷口附近橫截面（取樣編號：J1）表層及心部進(jìn)行維氏硬度測試，依據(jù)GB/T230.1—2009《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn) 第1部 分：試驗(yàn)方法》對樣品心部進(jìn)行洛氏硬度測試，結(jié)果見表2、表3。

硬度測試結(jié)果表明，取樣位置表層和心部的硬度值分布較為均勻，未見明顯差異，硬度值和顯微組織相吻合，表明試樣未經(jīng)淬火或調(diào)質(zhì)熱處理。同時(shí)，參考JB/T7935—2015《圓弧圓柱蝸桿減速器》中對16MnCrS5鋼蝸輪軸的要求（心部最小硬度30HRC），蝸桿軸硬度值低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

 3.4 斷口微觀分析

對送檢蝸桿軸斷裂位置的斷口形貌進(jìn)行掃描電鏡微觀觀察，掃描電鏡微觀形貌如圖4所示。

由圖4可知，鍵槽側(cè)的斷口1區(qū)、2區(qū)為裂紋源區(qū)，可見臺(tái)階狀特征；斷口3區(qū)、4區(qū)為擴(kuò)展區(qū)，可見疲勞條帶特征；斷口5區(qū)為終斷區(qū)，有塑性變形特征，微觀上可見韌窩形貌。由此表明，蝸桿軸斷口為典型的疲勞斷裂，是脆性斷裂的一種，驗(yàn)證了斷口宏觀檢查的結(jié)論。

4 失效分析

宏觀檢查結(jié)果表明，蝸桿軸斷裂面為脆性斷裂斷口。理化檢驗(yàn)結(jié)果表明，蝸桿軸化學(xué)成分為 16MnCrS5鋼。

蝸桿軸的顯微組織為貝氏體+鐵素體，鐵素體呈網(wǎng)狀分布，為非調(diào)質(zhì)態(tài)組織，硬度結(jié)果顯示表層組織與心部組織硬度較為均勻，無明顯差異。斷口微觀分析表明，蝸桿軸斷口為典型的疲勞斷裂斷口，為脆性斷裂。經(jīng)對運(yùn)行現(xiàn)場調(diào)查，減速齒輪箱現(xiàn)場服役工況為蝸桿軸長期處于振動(dòng)超標(biāo)狀態(tài)，振動(dòng)是引起蝸桿軸疲勞斷裂的直接原因。

綜上所述，蝸桿軸發(fā)生疲勞斷裂的原因有三個(gè)方面：一是蝸桿軸未進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理和表面熱處理，疲勞性能不佳；二是運(yùn)行過程中存在較大的交變載荷，在應(yīng)力集中的鍵槽位置發(fā)生了疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂；三是蝸桿軸材料基體內(nèi)存在較多的夾雜物，破壞了材料基體的連續(xù)性，加速了疲勞裂紋的擴(kuò)展。

5 結(jié)論與建議

對斷裂的蝸桿軸進(jìn)行了失效分析研究，得出如下結(jié)論。

1）蝸桿軸材料為16MnCrS5鋼，其微觀組織為貝氏體+鐵素體組織，為非調(diào)質(zhì)態(tài)組織，且未進(jìn)行表面滲碳淬火強(qiáng)化。

2）蝸桿軸材料表層和心部的硬度分布較為均勻，未見明顯差異，進(jìn)一步表明蝸桿軸未經(jīng)淬火或調(diào)質(zhì)處理。

3）蝸桿軸在運(yùn)行過程中在鍵槽位置收到交變載荷作用，使其發(fā)生疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展，同時(shí)軸材料基體內(nèi)存在較多的夾雜物，破壞了材料基體的連續(xù)性，加速了疲勞裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷 裂。因此，建議后續(xù)改善設(shè)備運(yùn)行過程中的振動(dòng)情況，以降低蝸桿軸承受的交變載荷，同時(shí)對后續(xù)采購蝸桿軸備件表面硬度進(jìn)行抽檢。