陳賢波

(寶山鋼鐵股份有限公司設(shè)備部，上海 201900)

0 前言

鼓形齒聯(lián)軸器作為剛性聯(lián)軸器，能夠在高速運轉(zhuǎn)中傳遞較大的扭矩，被廣泛應(yīng)用于冶金、機械、礦山及化工等領(lǐng)域[1-4]。在熱連軋軋機傳動系統(tǒng)中，鼓形齒聯(lián)軸器也是重要組成部分，具有傳動效率高、承載能力大及平衡性好等特點[5-8]。然而，在熱軋生產(chǎn)過程中，容易發(fā)生開裂、破損等失效情況，需要停機檢修，更換配件。不僅限制了軋制速度，降低了生產(chǎn)效率，增加了生產(chǎn)成本，嚴重時還會導(dǎo)致廢品甚至引發(fā)安全事故等[9-11]。為此，當(dāng)鼓形齒聯(lián)軸器發(fā)生頻繁損壞時，需及時對其進行細致分析，找出具體損壞原因，有利于現(xiàn)場工藝與設(shè)備的優(yōu)化與改進，對延長設(shè)備使用壽命和降低事故發(fā)生率具有重要意義[12-14]。

目前，關(guān)于鼓形齒齒套開裂失效的成因?qū)W者們進行了大量研究。其結(jié)論可分兩大類。一類認為開裂失效的起因與結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理有關(guān)。例如，許克軍等人[15]認為軋輥側(cè)扁頭套壓蓋連接螺栓設(shè)計的不合理，容易引起松動或斷裂，從而引發(fā)失效；石朗國等人[16]認為扁頭套接頭體結(jié)構(gòu)和法蘭盤連接方式的不合理，會使扁頭套產(chǎn)生嚴重的晃動，從而誘發(fā)齒套開裂；趙強等人[17]認為軋輥扁頭在設(shè)計時考慮了換輥需要，會留有一定的間隙，但經(jīng)常磨損和頻繁換輥，會使此間隙出現(xiàn)不斷擴大的趨勢，主傳動會由此產(chǎn)生較大幅度的扭振，引起疲勞失效。

另一類認為開裂失效的起因與材質(zhì)、潤滑及磨損等因素有關(guān)。如凌士德等人[18]通過對鼓形齒材質(zhì)和熱處理(表面滲氮)進行校核分析，發(fā)現(xiàn)其接觸安全系數(shù)太小，引發(fā)了接觸疲勞，齒面上存在剝落，剝落的齒面硬化層作為磨料產(chǎn)生磨料磨損，失效損傷面上伴有無光澤、霜狀密密麻麻成片的微小點蝕坑。王志遠等人[19]通過檢查扁頭處尺寸，發(fā)現(xiàn)了不同程度的磨損，造成工作輥在安裝扁頭時接觸到連接盤，連接盤受力造成連接盤的固定螺栓松動，出現(xiàn)螺紋損壞而脫落的情況，并使內(nèi)部潤滑油泄漏。

綜上所述，目前關(guān)于精軋機鼓形齒齒套開裂失效的產(chǎn)生原因仍然沒有形成一致性的結(jié)論，需針對具體問題具體分析，才能找到其具體產(chǎn)生原因與對應(yīng)的控制措施。為此，本文將針對1580熱連軋機F2機架的齒套開裂問題進行實驗研究，揭示其具體產(chǎn)生原因，為優(yōu)化措施的提出提供理論依據(jù)。

1 問題描述

1 580熱連軋機F1～F3機架主軸采用鼓形齒聯(lián)軸器，前后半年左右，F(xiàn)1下主軸和F2上主軸齒套先后發(fā)生開裂事故。兩起事故的開裂位置和現(xiàn)象類似，為避免同類事故再次發(fā)生，對齒套開裂成因進行了分析。本文以F2上主軸軋輥側(cè)齒套為研究對象，對其斷口宏觀形貌、化學(xué)成分、力學(xué)性能、顯微硬度等進行實驗分析，以確定齒套開裂的主要原因。

1.1 基本狀況

熱軋帶鋼生產(chǎn)過程中，精軋機F2機架經(jīng)常出現(xiàn)非常大的振動異響，對其停機檢查。經(jīng)現(xiàn)場抽輥檢查確認后發(fā)現(xiàn)，精軋機F2機架上主軸軋輥側(cè)扁頭套本體開裂，機械點檢對下機損壞的齒套本體進行復(fù)檢過程中，發(fā)現(xiàn)損壞的起始部位為齒套本體端面螺紋孔部位，該位置開裂后隨著軋機的運行繼而向內(nèi)延伸至齒套內(nèi)部，最終貫穿齒套全長至與扁頭套結(jié)合部位，屬于脆性開裂，如圖1所示。該精軋機F2機架上主軸累計在機使用10個月，損壞的齒套為新品備件配套上機。

圖1 精軋機F2機架齒套開裂

1.2 斷口宏觀形貌

為確定齒套開裂的具體原因，首先觀察斷口宏觀形貌，然后對斷口附近和鼓形齒分別在現(xiàn)場切割取樣，并進一步的分析測試。如圖2所示，其中1#試件、2#試件、5#試件和6#試件用于開裂處斷口形貌分析；3#試件主要用于組織成分分析。同時，在6#試件中按藍色區(qū)域取6-1#試樣、6-2#試樣和6-3#試樣，并分別制作3個圓柱型拉伸試樣，尺寸大小為：Φ16 mm×128 mm，3個V型沖擊試樣，尺寸大小為：10 mm×10 mm×55 mm，用于力學(xué)性能的檢測。

圖2 開裂齒套的取樣及斷口形貌

開裂齒套的斷口形貌如圖2b所示。由圖可知，在整個開裂面上清晰可見海灘狀的疲勞條紋，表明裂紋源區(qū)在該齒套壁的螺紋孔附近。對螺紋孔區(qū)域的斷口進行進一步觀察，如圖3所示，裂紋從薄弱的螺紋孔處萌生，沿著圖示箭頭方向向齒根部擴展，屬于疲勞裂紋擴展而引發(fā)的脆性斷裂。

圖3 1#試件的斷口形貌

2 化學(xué)成分與力學(xué)性能檢測

2.1 化學(xué)成分

對開裂齒套3#試件進行化學(xué)成分檢測后，結(jié)果如表1所示。由表可知，開裂齒套的主要化學(xué)成份符合JB/T 6396-1992《大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件》技術(shù)條件中關(guān)于34CrNi3Mo高強度合金結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分要求[20]。此結(jié)果也說明，齒套開裂的形成與鋼區(qū)夾雜并沒有直接關(guān)系。

表1 開裂齒套的化學(xué)成分檢測結(jié)果 %

2.2 力學(xué)性能

對開裂齒套6#試件的拉伸試樣和沖擊試樣進行力學(xué)性能檢測，檢測結(jié)果取最小值，如表2所示。由表2可知，6-3#試樣的δ為13.10%，略小于標(biāo)準(zhǔn)值14%，但相同位置的另外兩個試樣(6-1#和6-2#)的δ分別為17.22%和19.95%，遠高于標(biāo)準(zhǔn)值14%，表明6-3#試樣的δ檢測結(jié)果可能存在一定誤差。除此之外，其余力學(xué)性能指標(biāo)均遠高于JB/T 6396-1992《大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件》技術(shù)條件中關(guān)于34CrNi3Mo高強度合金結(jié)構(gòu)鋼的強度、沖擊韌性等要求[20]。

表2 開裂齒套的力學(xué)性能檢測結(jié)果

3 微觀組織與顯微硬度分析

為進一步分析齒套開裂失效原因，對鼓形齒和螺紋孔部位進行了更為細致的實驗分析。鼓形齒兩側(cè)的宏觀形貌如圖4a所示，其中一側(cè)嚙合區(qū)域存在著嚴重的沖擊磨損，而另一側(cè)較好，無明顯磨損痕跡。同時，部分齒形有明顯的變形情況，表面有多次較大的沖擊痕跡。本文選擇其中兩根齒進行組織分析和氮化層檢測(7#試件和8#試件從鼓形齒上取得，9#試件從螺紋孔部位取得)，如圖4b所示。

圖4 鼓形齒宏觀形貌與試件取樣

3.1 鼓形齒微觀組織分析

圖5a為鼓形齒齒面嚙合部位嚴重變形區(qū)域的微觀組織形貌。由圖可知，齒面嚙合部位存在明顯的組織流變區(qū)，主要是由熱、力交互作用引起的。而鼓形齒的芯部組織為常規(guī)的調(diào)質(zhì)索氏體組織，如圖5b所示，兩者之間存在明顯差異。鼓形齒齒面和螺紋附近的微觀組織如圖6所示，分別采用4%硝酸酒精溶液和鹽酸氯化鐵溶液等腐蝕后，并沒有看到明顯的滲氮層組織。

圖5 鼓形齒齒面嚙合區(qū)和齒芯區(qū)的微觀組織形貌

圖6 鼓形齒齒面和螺紋附近的微觀組織

3.2 鼓形齒顯微硬度測試

為了進一步確定鼓形齒齒面的氮化層深度，對其進行顯微硬度測試。圖7a和圖7b分別為鼓形齒齒頂和齒側(cè)面的顯微硬度測量壓痕，將齒頂和齒側(cè)面的顯微硬度有效檢測結(jié)果提取出，并繪制分布曲線，結(jié)果如圖7c所示。由圖中曲線可以看出，距離鼓形齒齒面200 μm處的硬度約為520～530 HV，有效氮化層深度約為0.5～0.6 mm。對比齒套零件加工技術(shù)要求(氮化層深度≥0.5 mm，齒面硬度≥550 HV)，可以看出氮化層深度滿足技術(shù)要求，齒面硬度略低于技術(shù)要求，但差別不大?？紤]到該齒套在開裂前已經(jīng)服役10個月，齒面必然發(fā)生了磨損，其初始齒面硬度應(yīng)該滿足技術(shù)要求。

圖7 鼓形齒齒面顯微硬度測試結(jié)果

3.3 螺紋孔顯微硬度測試

同樣采用顯微硬度法確定齒套壁螺紋孔處是否經(jīng)過氮化處理。圖8a和圖8b分別為螺紋孔頂部和底部的顯微硬度測量壓痕，將螺紋孔頂部和底部的顯微硬度有效檢測結(jié)果提取出，并繪制其分布曲線，結(jié)果如圖8c所示。由該圖中曲線可以看出，距離螺紋孔頂部100 μm處的硬度接近650 HV，有效氮化層深度約為0.5～0.7 mm。

圖8 齒套壁螺紋孔顯微硬度測試結(jié)果

正常服役時，螺紋孔本身是無需滲氮的，齒套零件加工技術(shù)要求中明確規(guī)定：非滲氮處需進行防氮化處理，對比上述測量結(jié)果可知，在齒套氮化處理過程中，螺紋孔未封閉，造成螺紋部位也被氮化處理，導(dǎo)致螺紋部位材料脆性增大、韌性降低，在軋制扭矩的作用下，導(dǎo)致齒套沿螺紋孔部位開裂。因此，后續(xù)加工備件時應(yīng)特別注意在氮化處理前，對螺紋孔進行特殊保護，增加保護螺堵、氮化保護涂料等。

4 結(jié)論

(1)齒套開裂屬于疲勞裂紋擴展而引發(fā)的脆性斷裂，裂紋源位于齒套壁螺紋孔附近；開裂齒套的化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，不是開裂失效的主要原因。

(2)開裂齒套對應(yīng)的鼓形齒齒面嚙合部位有嚴重的沖擊磨損及變形，存在明顯的組織流變區(qū)域，不同于芯部常規(guī)的調(diào)質(zhì)索氏體組織。

(3)距離鼓形齒齒面200 μm處的硬度約為520～530 HV，有效氮化層深度約為0.5～0.6 mm，考慮到服役時間的磨損，基本滿足氮化層深度≥0.5 mm，齒面硬度≥550 HV的技術(shù)要求。

(4)開裂齒套壁螺紋孔處的顯微硬度測試結(jié)果表明，螺紋孔經(jīng)過氮化處理，導(dǎo)致螺紋部位材料脆性增大、韌性降低，在軋制扭矩的作用下，導(dǎo)致齒套沿螺紋孔部位開裂，后續(xù)加工備件時應(yīng)特別注意在氮化處理前，對螺紋孔進行特殊保護。