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風電齒輪箱滑動軸承斷裂分析

風電齒輪箱滑動軸承斷裂分析

我公司制造的風電齒輪箱用滑動軸承,鋼背材質為Q345D,工藝流程為鍛造→正火→粗車→掛銅,通過離心澆注的方法在其內壁掛上一定厚度的銅合金CuPb10Sn10,以降低在運行過程中軸承內圈的摩擦系數(shù)。在澆注的過程中,廠家在鋼背兩側焊上鋼板,以防在澆注過程中銅合金被甩出,同時以感應加熱的方式對鋼背進行預熱,來保證鋼背和銅合金之間的黏合力。供應商在此次提交產品的過程中,出現(xiàn)了1件滑動軸承斷裂,其余17件出現(xiàn)了銅合金與鋼背無法黏合的情況。


由圖1可以看出鋼背斷裂位置在內圈,可以清晰的看到斷面的放射條紋,依據(jù)斷口學理論,其放射條紋的收斂位置即為裂紋源位置,即箭頭位置所示。同時可見斷裂源區(qū)域與基體存在明顯色差。


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試驗材料與方法


(1)試樣準備

對裂紋源位置進行解剖,并制取試樣,如圖2所示。


圖2顯示了鋼板與鋼背的焊接情況,可見未焊合區(qū)域有明顯的黃亮層,經(jīng)過分析為斷口表面附著的銅合金所致,說明在澆注銅合金之前該位置已經(jīng)斷裂。而焊合區(qū)域的焊縫處顏色發(fā)灰,與鋼背基體顏色存在差異。將試樣繼續(xù)解剖并拋光腐蝕,并標定特征位置,如圖3所示。


(2)金相分析

由圖4可以看出在位置1處鋼板和鋼背各存在一條明顯的裂紋,裂紋呈沿晶分布特征,其周圍存在幾條斷續(xù)分布的小裂紋。鋼背側裂紋兩側沒有氧化脫碳現(xiàn)象,這也排除了鍛造裂紋的可能。同時裂紋內部存在亮色的銅合金,這也說明了裂紋的離心澆注之前已經(jīng)存在。



由圖5可見,在位置2處存在一條裂紋,發(fā)生于鋼背一側熱影響過熱區(qū)靠近焊縫粗晶區(qū),大致平行于熔合線發(fā)展。該裂紋為穿晶型,裂紋末端的顯微形態(tài)是斷續(xù)分布的,為氫致裂紋特征。我們知道Q345D這種低合金高強度鋼對氫較為敏感,在工藝不當?shù)那闆r下易形成氫致裂紋。同時該區(qū)域的組織為粗大的馬氏體組織,說明焊接后工件的冷卻速度較快,出現(xiàn)了組織淬硬現(xiàn)象,會在熱影響區(qū)形成較大的殘余拉應力,增大了其冷裂紋傾向,導致裂紋會在較低應力下產生。經(jīng)過測量,該馬氏體區(qū)域距焊縫位置的厚度為1.7mm。


由圖6可以看出在焊縫熱影響區(qū)也出現(xiàn)了粗大馬氏體組織,且全馬氏體區(qū)厚度為0.3mm,在向基體過渡位置出現(xiàn)了馬氏體+上貝氏體的混合組織,該區(qū)域組織的強韌性均較低,且存在較多的空位、位錯等晶格缺陷,在應力作用下易在薄弱位置形成裂紋源。


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試驗結果與分析


(1)鋼背斷裂過程分析

經(jīng)過對位置1和位置2的裂紋的觀察與應力分析,可以判斷在焊接過程中,焊縫中有富集氫的因素,加之冷卻速度較快,在焊接殘余拉應力的作用下,殘留在焊縫中的氫回向熱影響區(qū)和母材區(qū)擴散。而且熱影響區(qū)的粗大馬氏體組織對氫脆極為敏感而發(fā)生氫致開裂,產生裂紋。同時,在馬氏體相變的組織膨脹拉應力的作用下,裂紋迅速擴展,最終導致鋼背在切除外側多余鋼板后斷裂。


(2)銅與鋼背黏合力分析

通過對鋼背內圈和外圈的金相組織的分析,找到了銅合金與鋼背無法黏合的主要原因。


圖7a為鋼背內圈附近的晶粒度照片,其晶粒為8級,而7b為靠近外圈的晶粒度圖片,晶粒為3~4級。同時其內外圈的組織也存在較大差異,如圖8所示。


由圖8a可以看出內圈組織為大量未熔塊狀鐵素體+少量珠光體組織,而外圈組織為粗大的貝氏體組織。圖8c可以看出外圈表面存在脫碳現(xiàn)象,且在全鐵素體層有嚴重的氧化,出現(xiàn)了大量點狀氧化物。


由上述分析可以判斷在感應加熱過程中,感應加熱裝置在鋼背外圈,所以造成外圈的溫度較高,且停留時間較長,造成了表面脫碳和晶粒度粗大的現(xiàn)象。但內圈組織中仍存在大量未熔鐵素體,且晶粒較細,說明其所處溫度較低,未達到其奧氏體化溫度。同樣在焊縫處仍存在馬氏體組織也可以驗證內圈溫度較低。在鋼背溫度較低的情況下澆注銅水,會大大降低合金銅與鋼背的黏合力,極易造成銅合金層與鋼背的脫離,甚至銅合金層得開裂,造成銅合金與鋼背無法黏合。


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結語


(1)焊接過程中操作不當形成氫致裂紋,是鋼背斷裂的主要原因。建議:①對鋼背和焊絲進行必要的烘干。②預熱并減慢冷卻速度,利于氫的擴散逸出同時避免淬硬組織的出現(xiàn)。


(2)鋼背預熱工藝不當,造成鋼背內圈和外圈加熱溫度不均勻,且內圈溫度較低,遠低于離心澆注所要求的溫度,使鋼背與銅合金的黏合力差,易造成銅合金的脫落剝離。建議:均勻加熱溫度,使鋼背內圈達到離心澆注溫度,以保證黏合力。

文:李忙、姜永升、陳潤松、于建英,中車北京南口機械有限公司

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