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抽油机人字齿轮表面裂纹分析
董加坤
张子瑜 朱斌
田野
(大庆石油管理局总机械厂
庆吉 163212)
摘
要：采用金相和扫描电镜等手段，对抽油机人字齿轮轴孔及外圆表面裂纹进行了分析。结果表明，退火温度过高，导致齿轮出现严重过热，在淬火应力的作用下使齿轮沿过热晶界开裂，形成表面裂纹。
主题词：抽油机；人字齿轮；表面裂纹；石状断口；过热
1 情况简介
抽油机是油田开采中后期主要的采油设备，人字齿轮是抽油机上的一个关键传动部件。该齿轮采用ZG35CrMo钢制造，其工艺流程:铸造→退火→粗车削→正火→调质~精车削→齿成形加工。有两批齿轮精车削后，在部分齿轮的轴孔和外圆表面出现裂纹。由实测结果可知，铸造后的齿轮毛坯最大直径为940mm，轮缘宽为410mm，轴孔直径为200mm。
2 宏观检验
宏观下观察，裂纹沿轴向分布，呈波浪形，见图1箭头指处。
图1 表面裂纹宏观形貌
图2 断口宏观形貌
在裂纹处取断口样，断口形貌见图2。从图中可以看到，左侧两块试样断口呈典型的石状，右侧一块试样断口则极为粗糙。三块试样断口均无金属光泽，石状颗粒极大。
为了检查齿轮毛坯退火温度情况，对最近一批齿轮经退火后的毛坯进行了外观检验，其表面氧化皮极厚，达2.02mm，表明已受到了严重的氧化。
3 微观检验
3.1
断口分析
由扫描电镜观察结果可知，断口在微观上表现为韧窝和沿枝晶断裂两种特征。图3a为图2所示左侧断口的微观形貌，可看到晶面由大小均匀的韧窝组成，绝大部分韧窝中存在球状细小夹杂物。
图3b为图2右侧试样的放大象，具有沿枝晶间断裂及较粗夹杂物特征。
(a)151×
(b)490×
图3
断口微观形貌
3.2
金相分析
取观察面垂直于裂纹面的金相试样，抛光后在金相显微镜下观察，裂纹曲折，有沿晶界扩展特征。用10%硝酸+10%硫酸水溶液侵蚀后再抛光观察，则可看到由小黑点连接而成的黑色网络即原奥氏体晶界，裂纹沿原奥氏体晶界扩展，见图4。图中可看到在原始奥氏体晶界上有极细小弥散的球形硫化物析出。
将图4试样再经4%硝酸酒精溶液侵蚀，显微镜下，其基体组织为细小的回火索氏体，裂纹两侧从开口端(精车削表面)至末端未出现脱碳。裂纹两侧组织见图5。
图4
过热晶界及裂纹走向 50×
图 5裂纹两侧组织 400×
10%硝酸+10%硫酸水溶液侵蚀后再抛光
4%硝酸酒精溶液侵蚀
4 讨论
根据断口宏观及微观分析结果，该齿轮显然产生了严重的过热。文献指出:①石状断口是合金钢的过热或过烧断口;②石状断口的形成机理是，当加热温度超过其过热温度时，钢中硫化物夹杂溶入固溶体中，随后在缓慢冷却时以非常细小的硫化物优先析出在原奥氏体晶界上，从而削弱晶界的结合力，在应力作用下便可沿这些弱化的晶界优先开裂，形成石状断口。ZG35CrMo钢属铸造合金钢，本身晶粒粗大，加上热处理工艺不当，都具备了形成石状断口的条件。微观断口上的沿晶韧窝内存在球状硫化物，说明齿轮已产生严重过热。在一般过热的情况下，原始奥氏体晶界不析出细小的球形硫化物，断裂主要为穿晶断裂。图2中右侧一块试样断口石状不明显，微观断口为沿枝晶间的穿晶断裂，表明这一区域属一般过热。
根据上述检验结果：失效齿轮裂纹两侧无脱碳，组织为细小的回火索氏体及齿轮退火毛坯表面氧化皮过厚，表明齿轮的过热是由于退火温度过高所致。因为:①如果淬火出现过热，即么调质后的组织应为粗大的保持马氏体位向的索氏体，这与分析结果不符。②正火的目的是为了细化晶粒，消除粗大组织的遗传性:若正火出现过热，那么正火态的粗大组织势必被或多或少地遗传到调质之后的组织中，但实际齿轮调质组织细小。③若在退火中出现过热，那么在正火处理后，钢的过热粗大晶粒仍可被消除掉，因重结晶和晶粒形核，使晶粒得到细化，所以调质后的组织也可得到细化，而严重过热沿原奥氏体晶界析出的细小弥散分布的硫化物则无法消除，形成的硫化物网使原奥氏体晶界的轮廓被保留到最后的热处理组织中。·表面氧化皮过厚与退火温度过高导致的表面严重烧损有关。经调查，铸造后的齿轮毛坯采用油炉退火。油炉与箱式电阻炉相比，其温度不均。而ZG35CrMo钢的退火温度为中温，若炉温控制不当，极可能造成局部温度过高，甚至达到钢的过热温度。经了解，现场炉温并没有严格的控制手段。
根据裂纹两侧无脱碳现象，可认为此裂纹为淬火裂纹。由于齿轮在退火时已发生过热，晶界严重弱化，因此，在淬火过程中晶界处不能承受较大的淬火应力，促使齿轮形成沿晶裂纹。
5 结论
(1)
该齿轮在退火加热保温中因温度超过过热温度而使齿轮出现了严重的过热。
(2)
在淬火应力的作用下齿轮沿弱化了的过热晶界开裂，形成表面裂纹。
6 措施
对温控仪表重新校正，加强炉温仪表的监控作用。采取此措施后，齿轮未再出现类似质量间题。
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