端齒盤嚙合結構常用于壓縮機齒輪軸與葉輪的連接固定，該結構具有傳遞扭矩大、傳遞平穩(wěn)、對中性好、可頻繁拆卸等優(yōu)點。某壓縮機運行約1 a后，其5級葉輪側的齒輪軸端齒盤發(fā)生斷齒現(xiàn)象，其他各級端齒盤均未發(fā)現(xiàn)裂紋或斷齒缺陷，斷裂端齒副的宏觀形貌如圖1所示。該齒輪軸的材料為18CrNiMo7-6鋼，經(jīng)鍛造、粗加工后，對其整體進行滲碳淬火，以滿足斜齒輪的滲碳層要求。軸端齒采用切削加工，切削掉滲碳層后，齒面應滿足材料滲碳淬火心部的組織與硬度要求。該壓縮機的工作介質(zhì)為N2，工作溫度約為80 ℃。服役時，該級齒輪軸端齒盤（主動端）帶動葉輪端齒盤（從動端）做逆時針高速旋轉，對N2進行壓縮。筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、力學性能測試、掃描電鏡（SEM）和能譜分析、金相檢驗等方法查明了軸端齒的斷裂原因，并提出了改進建議，以避免該類問題再次發(fā)生。

圖  1  斷裂端齒副的宏觀形貌

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

軸端齒斷口的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：斷裂均發(fā)生在沿單齒齒寬方向的外端，斷口無塑性變形，呈宏觀脆性斷裂特征；斷口1與軸向約呈45°，存在臺階特征，臺階收斂于承載側齒面的磨痕處；斷口2可見多個大致平行的臺階，臺階同樣起源于承載側齒面的磨痕處，說明該處為斷口2的裂紋源區(qū)；斷口2裂紋擴展前期較平坦，大致與軸向垂直，擴展后期斷口與軸向約呈45°。

圖  2  軸端齒斷口的宏觀形貌

未斷裂軸端齒的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：承載側齒面上均存在磨痕，沿齒寬方向的外端磨痕光亮，內(nèi)端磨痕暗淡，部分齒面的亮區(qū)與暗區(qū)界限清晰，與軸向約呈45°，與斷口的方向大致相同；非承載側齒面上同樣存在不同程度的摩擦損傷。

圖  3  未斷裂軸端齒的宏觀形貌

1.2   化學成分分析

對斷裂端齒盤進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：斷裂端齒盤的化學成分符合企業(yè)標準對18CrNiMo7-6鋼的要求。

1.3   力學性能測試

對斷裂齒面進行硬度測試，結果如表2所示。由表2可知：斷裂齒面的硬度不符合企業(yè)標準要求。

對5級葉輪側的中心拉桿進行拉伸試驗，結果如表3所示，可見其拉伸性能符合企業(yè)標準要求。

1.4   掃描電鏡（SEM）及能譜分析

對軸端齒斷口進行SEM分析，結果如圖4所示。由圖4可知：裂紋均起源于齒面磨痕處，疲勞臺階清晰可見；斷口1裂紋擴展區(qū)可觀察到疲勞輝紋和二次裂紋，斷口2裂紋擴展區(qū)可見交變載荷作用下的擠壓痕跡，兩斷口均符合疲勞斷裂的形貌特征；瞬斷區(qū)可見韌窩花樣，深度約為36 μm。

圖  4  軸端齒斷口的SEM形貌

對斷口1源區(qū)附近的齒面進行SEM分析，結果如圖5所示。由圖5可知：低倍下，可見層狀的摩擦條痕，磨光區(qū)與粗糙區(qū)交替分布；高倍下，磨光區(qū)呈犁溝特征，存在微裂紋，粗糙區(qū)可見磨屑堆積和材料剝落后形成的麻坑。

圖  5  斷口1源區(qū)附近齒面的SEM形貌

對磨屑進行能譜分析，結果如圖6所示。由圖6可知：磨屑中含有Ni、Nb、Ti、Al等元素，為端齒副中葉輪端齒（Inconel 718合金）的元素成分；N元素為壓縮機介質(zhì)元素；除葉輪、介質(zhì)和軸端齒的基體元素外，磨屑中還含有鐵的氧化物。

圖  6  齒面磨屑的能譜分析結果

1.5   金相檢驗

截取垂直于軸端齒斷口的剖面試樣，在光學顯微鏡下觀察其微觀形貌，結果如圖7所示。由圖7可知：斷口1、斷口2裂紋源區(qū)的齒面上可見多個大小不等的麻坑；顯微組織為低碳回火馬氏體，無氧化、脫碳現(xiàn)象，符合滲碳淬火的心部組織要求。

圖  7  軸端齒斷口剖面試樣的微觀形貌

截取垂直于未斷裂單齒的剖面試樣，在光學顯微鏡下觀察其微觀形貌，結果如圖8所示。由圖8可知：齒面兩側均存在麻坑，疲勞主裂紋起源于齒面麻坑處，存在二次裂紋。

圖  8  未斷裂單齒剖面試樣的微觀形貌

依據(jù)GB/T 6394—2017 《金屬平均晶粒度測定方法》對斷裂軸端齒的晶粒度進行檢驗，結果如圖9所示，可見其奧氏體晶粒度為8級，符合企業(yè)標準要求（不小于5級）。

圖  9  斷裂軸端齒的晶粒度檢驗結果

依據(jù)GB/T 10561—2023《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》對斷裂軸端齒的非金屬夾雜物進行檢驗，結果如表4所示，斷裂軸端齒中的非金屬夾雜物符合企業(yè)標準要求。

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結果可知：斷裂軸端齒的化學成分、晶粒度、非金屬夾雜物均符合企業(yè)標準要求，顯微組織為低碳回火馬氏體，為滲碳淬火心部的正常組織，布氏硬度超出標準上限。斷口和齒面的宏觀及微觀觀察結果顯示，裂紋起源于齒面磨痕處；源區(qū)附近齒面的磨痕區(qū)域存在犁溝、微裂紋、磨屑堆積和剝落麻坑，磨屑中含有鐵的氧化物，為典型的微動磨損形貌；斷口源區(qū)可見臺階特征，擴展區(qū)存在疲勞輝紋、二次裂紋和交變擠壓痕跡，符合疲勞斷口的微觀形貌特征[1-2]；瞬斷區(qū)呈韌窩形貌，且深度僅為36 μm，說明軸端齒發(fā)生了高周低應力作用下的疲勞斷裂。疲勞裂紋起源于齒面微動磨損形成的麻坑處，因此微動磨損是軸端齒疲勞斷裂的直接原因。

未斷裂齒面的承載側與非承載側均存在微動磨損，且磨損形成的亮區(qū)、暗區(qū)交界處與斷口的相對位置和角度大致相同，均位于沿齒寬方向的外端，與軸向約呈45°，說明各齒面具有相似的應力狀態(tài)，且齒面外端所受的接觸應力較大。斷裂端齒盤為正梯形收縮齒形，該齒形在動平衡條件下，齒面內(nèi)端齒尖處所受的接觸應力最大，因此斷裂端齒盤在服役時存在偏載現(xiàn)象。

端齒副通過中心拉桿連接，裝配時對拉桿施加一定的軸向預緊力，使兩個端齒盤相互嚙合來傳遞轉速和扭矩。該壓縮機在停機檢修時，除5級葉輪側的軸端齒斷裂外，其他各級軸端齒的齒面均未發(fā)現(xiàn)裂紋，且齒形完好，說明軸端齒的齒形參數(shù)及中心拉桿的強度、剛度在設計上是合理的，齒面偏載與拉桿和齒形的設計無關。由端齒副的連接結構可判斷，齒面偏載是由中心拉桿松弛造成的。

齒輪軸端齒盤在服役時，主要承受軸向預緊力Fa和扭矩Ma，將預緊力Fa在單齒承載側上的作用力F和由扭矩Ma產(chǎn)生的扭力Q分解為沿齒面方向的Ft、Qt和沿齒面法向的Fn、Qn，正常工況下Ft≥Qt可保證端齒副不脫齒，齒輪軸端齒盤及單齒的受力分析結果如圖10所示。中心拉桿發(fā)生松弛，會造成轉子不平衡并產(chǎn)生振動，使軸端齒在接觸應力、扭轉應力及振動應力形成的交變載荷下服役。中心拉桿的松弛，會使Ft不斷減小，導致齒面產(chǎn)生微小間隙，正梯形收縮齒形齒面的外端接觸間隙小于內(nèi)端，造成齒面外端接觸應力過大，使軸端齒發(fā)生偏載現(xiàn)象。5級葉輪側中心拉桿的拉伸性能符合企業(yè)標準要求，可排除因材料拉伸性能不合格造成的拉桿松弛，同時拉桿的強度、剛度設計合理，因此中心拉桿的松弛是由裝配預緊力不足造成的。

圖  10  齒輪軸端齒盤及單齒的受力分析結果

3.   結論與建議

該軸端齒的斷裂性質(zhì)為微動疲勞斷裂。服役時，裝配預緊力不足使5級葉輪側的中心拉桿發(fā)生松弛，導致齒面發(fā)生微動磨損，裂紋起源于微動磨損形成的麻坑處，在交變載荷作用下，麻坑處產(chǎn)生應力集中，引起疲勞裂紋的萌生和擴展，最終導致軸端齒斷裂。軸端齒的硬度超出標準上限對疲勞裂紋的萌生與擴展具有一定的促進作用。

建議在轉子裝配時，嚴格按照中心拉桿的預緊力操作規(guī)程對端齒副進行預緊，防止轉子在高速運轉過程中產(chǎn)生間隙。調(diào)整齒輪軸的熱處理工藝，使軸端齒的強度、硬度控制在設計要求范圍內(nèi)。對壓縮機轉子的振動值加強監(jiān)測，從監(jiān)測信號中預測中心拉桿或端齒副的接觸故障，并定期做好檢修維護，以防止發(fā)生設備失效事故。

文章來源——材料與測試網(wǎng)