重载电力机车牵引主动齿轮裂纹分析

北京南口轨道交通机械有限责任公司 （102202） 陈更强 王盼盼 李广庆 李 忙

某重载电力机车牵引主动齿轮，机务段大修拆卸后，经荧光磁粉无损检测，发现大凸台表面有细小轴向裂纹，位于两个分别宽约3mm、5mm的周向带上（见图1）。主动齿轮轮齿部分完好，啮合正常，而大凸台表面白亮带上有明显的周向摩擦的痕迹（见图2）。从大凸台端面起第二个密封槽左侧两个宽约3mm、5mm的周向白亮带对应图1中的两个裂纹带。靠近大凸台端面的一个白亮带上有很少的零星裂纹分布。

图1

图2

大凸台及轮齿内孔与牵引电动机轴过盈配合，大凸台外圆表面与铝合金密封装置形成迷宫非接触式密封。该齿轮材质为18CrNiMo7-6，加工工艺为：圆钢下料→锻造→正火→高温回火→车加工→滚齿→渗碳→一次淬火→高温回火→二次淬火→低温回火→喷丸→磨加工。

1.检验

用直读光谱测定其化学成分，结果见表1，符合技术要求。

非金属夹杂物按GB/T 10561－2005标准的A法评定，结果见表2，符合材料技术要求。

表1 18CrNiMo7-6化学成分（质量分数） （%）

表2

显微组织分析：沿轴向取样，穿过图2中两条密封槽、白亮带和暗黄色带，检验发现从大凸台端面起第二个密封槽左侧两个宽约3mm、5mm的周向白亮带上，表面存在较严重的淬回火烧伤或回火烧伤，尤以5mm宽的周向白亮带烧伤最为严重（见图3、图4）。其余白亮带上表面存在相对较轻的回火烧伤（见图5、图6），而暗黄色带上表面未见明显烧伤（见图7）。

图3 5mm宽的周向白亮带表面淬回火烧伤组织

图4 3mm宽的周向白亮带表面淬回火烧伤组织

图5 从大凸台端面数第一条白亮带表面回火烧伤组织（有零星裂纹）

图6 从大凸台端面数第二条白亮带表面回火烧伤组织（无裂纹）

图7 暗黄带表面组织

在5mm宽的周向白亮带上垂直于裂纹取周向试样，发现大凸台表面裂纹数条，深度在0.06～0.10mm（见图8）。裂纹所在区域存在深度0.02～0.04mm的明显回火烧伤现象（见图9、图10）。此外还发现，裂纹区内凸台最表面附着存在一层灰暗色物质，疑为氧化物（见图11、图12）。

图8 5mm宽的周向白亮带上表面裂纹

图9 5mm宽的周向白亮带上表面回火烧伤组织

图10 5mm宽的周向白亮带上表面回火烧伤组织

图11 裂纹区凸台最表面氧化物

对图12中裂纹附近区域进行硬度梯度检测，结果见图13。可见表面回火烧伤区硬度为55.5HRC，比0.1mm处的58.5HRC相比下降了3HRC，产生了明显的回火烧伤软化。

图12 裂纹区凸台最表面氧化物

对轴向取试样的密封槽，也是代表凸台表面原始渗碳淬火组织的区域，进行金相硬度检测，评级标准为TB/T 2254－1991和GB/T 3480.5，结果见表3。可见，热处理渗碳淬火质量符合产品技术要求。

图13 5mm宽的周向白亮带上硬度梯度

表3

2.分析

该主动轮大凸台周向白亮带上均存在不同程度的回火烧伤，尤以裂纹所在的图2中大凸台端面起第二个密封槽左侧两个宽约3mm、5mm的周向白亮带烧伤最为严重，从图2可见，大凸台白亮带表面有明显的周向摩擦痕迹，因此这种烧伤是摩擦热所致。

从周向试样检验中，发现裂纹区内大凸台最表面附着存在一层疑为氧化物的灰暗色物质，由于此区域出厂状态为磨削加工，不可能存有氧化物，且渗碳淬火后的氧化物形态与裂纹区内凸台最表面存在这一层氧化物完全不同，反映原始组织的密封槽内渗碳淬火后表面内氧化见图14。故认为裂纹区内大凸台最表面存在这一层氧化物，是齿轮在使用过程中，大凸台表面受到强烈摩擦热的作用，产生高温，在使表面产生淬回火烧伤的同时，由于密封材料是铝合金，硬度和熔点较低，密封材料接触表面发生融化和转移，熔敷在大凸台表面。同时，在高温下发生氧化，形成图11、图12所示的灰暗色物质层。

对图12中大凸台表面5mm白亮带上附着的灰暗物质在扫描电镜下配合EDS分析化学成分，检测部位见图15a、图16a，检测结果见图15b、图16b和表4、表5。灰暗物质的主要成分按质量分数依次为Al、O、Fe 、Si、Mg，其中，铝、氧元素重量百分含量：位置1（远离裂纹）为69.95%，20.68%；位置2（裂纹附近）为65.97%，30.23%。由此证实：大凸台表面5mm白亮带上附着的灰暗物质，主要成分为铝氧化物，系铝合金密封材料在与大凸台表面之间强烈的摩擦热作用下产生高温，发生熔化、附着和氧化的结果。并且，在裂纹附近氧含量更高，氧化现象更严重，表明该处温度也更高。

熔敷氧化物在继续摩擦作用下，大部分发生脱落，只有小部分保留下来，因此该区域总体颜色显示为白亮。而暗黄带上无烧伤组织，表明该处温度相对较低，对该处表面产生低温回火及轻微氧化，表面形成氧化膜，从而使表面着暗黄氧化色，该处温度升高的原因来自白亮带的热传导。

主动齿轮大凸台与牵引电动机密封装置配装，大凸台表面与密封装置之间存在较大间隙。正常工作时，大凸台表面与密封装置之间不发生接触。大凸台外径的测量结果为165.95mm，符合技术要

图14 密封槽内表面内氧化

图15

图16

表4 位置1灰暗物质内各元素含量

表5 位置2灰暗物质内各元素含量

上述检验结果表明，大凸台（也就是电动机轴）工作发生了大的径向窜动，使大凸台表面与密封装置发生了接触和摩擦，此时应是电动机轴承发生了故障。

由于大凸台表面与密封装置发生了接触和强烈的摩擦，使温度升高，在表面产生淬回火烧伤的同时，密封材料发生融化和转移，大凸台表面产生了附着氧化物。在热应力、组织应力和摩擦力的综合作用下，形成了表面裂纹。

3.结语

该主动齿轮出厂时所有指标均合格。大凸台表面裂纹系电动机轴承故障，导致大凸台表面与密封装置发生了接触和强烈的摩擦，表面产生了淬回火烧伤。在摩擦力、热应力和组织应力的综合作用下，产生表面裂纹。

（20130801）