图 11~3号齿轮的宏观形貌
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随着全球对可再生能源需求的迅速增长,风力发电作为一种清洁、可再生的能源方式,其发展前景备受瞩目[1]。风电机组是风电场的核心设备,其设计和性能直接影响风电的经济性和可靠性。风电机组中齿轮箱是连接风轮和发电机的关键部件,主要作用为将风轮的低转速提升到发电机所需的高转速。由于风力的不稳定性和风轮的巨大尺寸,风电齿轮箱通常工作在高载荷、高扭矩和高冲击的环境中。这些苛刻的工作条件对齿轮箱的设计、材料和制造工艺提出了极高的要求[2]。齿轮作为齿轮箱中的重要组成部分,其较为常见的失效形式有齿面接触疲劳、齿根弯曲疲劳、齿面磨损、偏载、电蚀、点蚀、变形、折齿等[3-4]。
某风电齿轮箱有一组（3个）行星齿轮在运行过程中发生断齿事故。这些行星齿轮的材料均为18CrNiMo7-6钢,表面热处理工艺为渗碳淬火+回火。这些行星齿轮的设计预期寿命为20 a,某行星齿轮在相应的设备中运行了6 a就发生了开裂、断齿情况。笔者采用一系列理化检验方法对该组行星齿轮断裂的原因进行分析,并提出了改进措施,以避免该类问题再次发生。
1. 理化检验
1.1 宏观观察
1~3号齿轮的宏观形貌如图1所示。由图1可知：1~3号齿轮中每个齿的中部位置沿齿轮运行方向均发生了不同程度的变形,局部出现断齿现象；1号齿轮从齿根至内表面存在一条明显的贯穿裂纹。
将1号齿轮沿裂纹人工打开,断口的宏观形貌如图2所示。由图2可知：断口表面可见明显疲劳弧线,说明1号齿轮开裂性质为疲劳开裂；断口上观察到多个疲劳起源点,其中主疲劳源位于齿根向下约3 mm处,距齿端部约107 mm,该区域的断面较为平坦,呈锈蚀色,推测为主疲劳区；主疲劳源周围疑似存在缺陷,裂纹从该缺陷处向四周扩展,且扩展区域具有明显的贝纹线,贝纹线是疲劳断裂的典型宏观特征。基于上述分析可知,1号齿轮首先在齿根位置发生了疲劳开裂,使齿轮的有效承载面积减小,应力增大,进而导致2号和3号齿轮发生过载断齿事故。因此,后续分析重点考虑1号齿轮。
1.2 化学成分分析
在1号齿轮上取样,按照GB/T 4336—2016 《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）》、GB/T 223.82—2007《钢铁 氢含量的测定 惰气脉冲熔融热导法》和GB/T 11261—2006《钢铁 氧含量的测定 脉冲加热惰气熔融-红外线吸收法》,对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：1号齿轮试样化学成分符合EN 10084：2008《渗碳钢交货技术条件》对18CrNiMo7-6钢的要求,但试样中O元素含量超出了ISO 6336-5：2016 《直齿轮和斜齿轮承载能力的计算 第5部分：材料的强度和质量》规定的上限。
Table 1.1号齿轮试样的化学成分分析结果1.3 扫描电镜（SEM）及能谱分析
对1号齿轮的断口进行超声清洗,采用SEM对其疲劳源区和扩展区进行观察,结果如图3所示。由图3可知：疲劳源区可见明显的疏松和夹杂缺陷,其中缺陷的尺寸（长度×宽度,下同）约为596 μm×277 μm；缺陷内部及周围区域含有较多的碎粒状物质和纤维状物质；断口扩展区可以观察到疲劳辉纹,呈典型的疲劳断口形貌特征。
对缺陷处进行能谱分析,结果如表2所示。由表2可知：缺陷位置主要富集了C、O、Mn、Al、S、Ca等元素,其中颗粒状物质中O、Al元素的含量较高,推测该夹杂物主要由Al2O3组成。
Table 2.缺陷处的能谱分析结果1.4 金相检验
在1号齿轮靠近齿根的纵截面处取样,将试样进行磨抛处理后,置于光学显微镜下观察,按照ISO 4967：2013《钢 非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》对非金属夹杂物进行评级,结果如表3所示。由表3可知：1号齿轮中含有一定量的B类和D类夹杂物,但夹杂物等级符合ISO 6336-5：2016的标准要求。
Table 3.1号齿轮试样的夹杂物评级结果在1号齿轮完整齿上取金相试样,将试样置于光学显微镜下观察,结果如图4所示。由图4可知：在1号齿轮的工作面上未观察到明显晶间氧化现象；而在齿根位置则观察到了晶间氧化现象,晶间内氧化深度为23 μm,符合标准ISO 6336-5：2016中MQ级的要求。
在1号齿轮横截面上取金相试样,将试样置于光学显微镜下,观察其表面硬化层和心部的显微组织形貌,结果如图5所示。由图5可知：1号齿轮表面组织主要为针状马氏体,残余奥氏体含量少于15%,碳化物呈不连续分布；心部组织为回火马氏体,符合标准ISO 6336-5：2016中MQ级的要求。
1.5 硬度测试
在1号齿轮完整齿上取样,依照ISO 6507-1：2023 《金属材料 维氏硬度测试 第1部分：测试方法》对试样的表面和心部进行维氏硬度测试。结果如表4所示。由表4可知：1号齿轮表面硬度平均值为667 HV,心部硬度平均值为315 HV,结果符合产品的技术要求。
Table 4.1号行星齿轮的硬度测试结果1.6 渗碳层深度测试
依照ISO 18203：2016《钢表面硬化层深度的测定》,采用硬度梯度法,测量1号齿轮表面到维氏硬度为550 HV处的垂直距离,结果显示1号齿轮工作面的渗碳层深度为2.3 mm,齿根位置的渗碳层深度为2.6 mm,均满足产品的技术要求（2~3 mm）。
2. 综合分析
综合上述分析可知,1号齿轮的硬度、夹杂物等级、显微组织、晶间内氧化深度等均满足相关标准要求,渗碳层深度未发现明显异常,O元素含量超过标准要求的上限；1号齿轮主要发生了疲劳开裂,而2号和3号齿轮主要发生了过载断裂,1号齿轮为首断件。1号齿轮疲劳源区存在宏观夹杂缺陷,该夹杂缺陷主要由C、O、Mn、Al、S和Ca等元素组成,且夹杂物颗粒中Al、O元素含量特别高,推断该夹杂物为Al2O3、MnS、CaO组成的混合夹杂物,并以脆性夹杂物Al2O3为主。这些非金属夹杂物的存在破坏了金属基体的连续性。此外,在热加工应力的作用下,这些夹杂物容易破碎并形成尖角状,显著增大了局部应力的集中程度[5-8]。在硬化层中,由于硬度和强度的增大,材料对缺陷的敏感性也随之增大。Al2O3、CaO夹杂物作为脱氧过程中的产物,MnS作为脱硫过程中的产物,均被归类为冶金缺陷。对于需进行表面硬化处理的行星齿轮等机械元件,若缺陷存在于硬化层内部或其边界区域,该行星齿轮的疲劳寿命将显著缩短。尤其当这些缺陷的尺寸达到一定阈值时,即使其远离硬化层,缺陷处可能成为裂纹的起点,促进疲劳裂纹的扩展,并最终导致齿轮发生断裂[9]。在1号齿轮中,疲劳源区的夹杂物聚集分布,缺陷尺寸较大,肉眼可见；夹杂物距离齿根约为3 mm,而齿根有效硬化层深度约为2.6 mm,位置靠近硬化层交界面,故推测Al2O3非金属夹杂物的存在是导致齿轮发生早期疲劳开裂的主要原因。
3. 结论和建议
1号齿轮内部存在Al2O3非金属夹杂物,导致1号齿轮首先发生疲劳开裂,疲劳源位于距齿根向下约3 mm,距齿端部约107 mm的位置；疲劳源区含有较多以Al2O3为主的非金属夹杂物,该缺陷尺寸约为596 μm×277 μm；2号和3号齿轮的断裂模式均为过载断裂。
建议优化冶炼和热处理工艺、提高材料纯度、降低O元素含量,或采用更有效的材料净化方法,减轻或消除非金属夹杂物的影响,从而延长行星齿轮的使用寿命。
