清潔能源是指不排放污染物、能夠直接用于生產及生活的能源，主要包括核能、風能、太陽能、潮汐能、生物能等，其中風能作為第三大清潔能源，越來越受到世界各國的重視。清潔能源雖然對環境友好，但其投資、維護費用高，需要提高風機單位質量的能量密度，以降低整機成本。風電齒輪箱為多級行星傳動，具有零件多、精度高等特點。近年來，在風電增速齒輪箱中，越來越多地應用行星輪和軸承整合結構，將行星輪的內孔進行硬化處理，并作為軸承的外圈，該結構可以減小齒輪箱的體積、降低整機成本、避免行星輪與軸承發生打滑。
某批次用作滾道的行星輪材料為18CrNiMo7-6鋼，在經過滲碳淬火+回火工序后，對其進行精磨，隨后按照 GB/T 17879—1999 《齒輪磨削后表面回火的浸蝕檢驗》對其進行磨削燒傷檢測，腐蝕結束后發現行星輪內孔表面出現較多均勻分布的黑點。磨削熱會引起齒面回火或二次淬火，從而使行星輪的組織發生變化，因此需對行星輪進行磨削燒傷檢測，其檢測原理為：經硝酸溶液腐蝕后，燒傷區域與未燒傷區域的顏色存在差異。磨削燒傷檢測過程中，體積分數為3%~5%的硝酸水溶液用于腐蝕試樣，體積分數為4%~6%的鹽酸水溶液用于試樣脫色，以及pH不小于10的堿性溶液用于中和溶液。除磨削燒傷檢測過程外，整個生產、檢測過程中，零件均不接觸腐蝕性介質。研究人員采用一系列理化檢驗方法,查明了該批次行星輪內孔表面產生黑點的原因，以防止該類問題再次發生。
1、 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
在行星輪內孔處取樣，將試樣進行最小程度的磨平及拋光處理，然后按照GB/T 17879—1999對試樣進行磨削燒傷腐蝕，其中硝酸乙醇溶液及鹽酸水溶液的體積分數均為4%，腐蝕的時間為30s，腐蝕后試樣的宏觀形貌如圖1所示,可見行星輪內孔表面有黑點。
1.2 化學成分分析
在行星輪內孔處取樣，對其進行化學成分分析，結果如表1所示，可見該行星輪的化學成分符合GB/T 3077—1999《合金結構鋼》對18CrNiMo7-6鋼的要求。
1.3 掃描電鏡(SEM)及能譜分析
采用SEM對黑點進行觀察，結果如圖2所示。對黑點進行能譜分析，分析位置如圖2所示，分析結果如表2所示，可見黑點主要含有O、Mg、Al、Ca、Mn、S等元素。
采用SEM對非金屬夾雜物進行觀察，結果如圖3所示。
1.4 金相檢驗
在行星輪內孔處截取試樣，將試樣進行磨制、拋光、腐蝕處理，然后用光學顯微鏡對其進行觀察，結果如圖4所示，可見內孔滲層組織為細針狀馬氏體+少量殘余奧氏體，心部組織為貝氏體+馬氏體。
采用光學顯微鏡觀察非金屬夾雜物的拋光態和腐蝕態形貌，結果如圖5，6所示。由圖5，6可知：非金屬夾雜物主要為A類夾雜物、B類夾雜物、D類球狀氧化物；所有非金屬夾雜物均被腐蝕，且夾雜物脫落后形成腐蝕坑的尺寸比夾雜物的尺寸更大；夾雜物級別分別為A0.5，B1.0，C0，D1.5，DS0.5級。
1.5 黑點數量統計
在行星輪內孔表面取尺寸為14mm×16mm(長度×寬度)的試樣，在超景深顯微鏡下對試樣進行觀察，結果如圖7所示。
分別在100%放大顯示及40%縮小顯示兩種情況下統計可見黑點的總數，按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》計算對應倍數下單位視場內的黑點數量，發現在100%放大顯示及40%縮小顯示下，單位視場內的平均黑點數量分別為6.4個和3.7個。依據GB/T 10561—2005對黑點進行非金屬夾雜物評級，判斷黑點為夾雜物被腐蝕后形成的腐蝕坑。
2、 綜合分析
黑點數量統計結果顯示：100%放大顯示下，單位視場內的平均黑點數量約為6.4個，在40%縮小顯示下,單位視場內的平均黑點數量為3.7個。依據單位視場內的黑點數量進行非金屬夾雜物評級，結果為 A1.5、B1.5、C1.5、D1.5、DS1.0級，說明夾雜物被腐蝕且形成了腐蝕坑，宏觀顯示為黑點。磨削燒蝕檢測中，A類、B類及 D類夾雜物(試樣未見C類夾雜物)均被腐蝕，形成了腐蝕坑，且不同夾雜物被腐蝕后形成的腐蝕坑尺寸不同，其中A類、B類夾雜物腐蝕后形成的腐蝕坑在長度方向的平均增幅為24%，寬度方向的平均增幅為480%；D類夾雜物腐蝕后形成的腐蝕坑直徑的平均增幅為69%。說明A類、B類夾雜物被腐蝕后，周圍的基體也會被腐蝕，形成腐蝕坑的尺寸更大，而D類夾雜物被腐蝕后，基體雖然也會被腐蝕，但形成腐蝕坑的尺寸較小，說明其腐蝕程度較輕。
3、 結論
行星輪內孔表面產生黑點的原因為：在磨削燒傷檢測中，行星輪內孔表面的非金屬夾雜物及其周圍基體被腐蝕，并形成了腐蝕坑，宏觀表現為黑點。
作者：晁永強，劉聰穎，王濤，馬宏利，趙龍，解明雨，何建飛，楊德文，曹云
單位：重慶齒輪箱有限責任公司 大型高精齒輪檢測實驗室
來源：《理化檢驗-物理分冊》2023年第7期
