某风力发电齿轮箱中18CrNiMo7-6钢高速齿轮轴在服役初期发生轮齿断裂，通过断口形貌分析、显微组织观察、硬化层硬度分布测试、冶金质量检测等方法分析了齿轮轴轮齿断裂的原因，结果表明：齿轮轴轮齿齿面发生脱碳，导致齿面表层硬度和接触疲劳强度下降，在周期性接触应力下，工作齿面发生点蚀，引起应力集中，形成多点疲劳源，萌生疲劳裂纹并迅速扩展直至轮齿断裂。
某风场1台风机并网运行约2个月后出现故障，拆机后发现故障原因是由于齿轮箱中高速齿轮轴连续断齿。该齿轮轴加工工艺为：锻造毛坯→调质→车削→滚齿→渗碳→淬火→低温回火→车削→磨齿，材质是18CrNiMo7-6钢。为明确该齿轮轴轮齿断裂的失效原因，以回收反厂的失效齿轮轴为研究对象，如图1所示，通过断口形貌分析、显微组织观察、硬化层硬度分布测试、冶金质量检测等方法对齿轮轴失效原因进行了分析。
图1 回收反厂的失效齿轮轴
将图1中断齿区局部放大进行断口分析，如图2所示，该区域共有连续5个轮齿发生沿齿高方向节线以上区域完全剥离，将5个轮齿如图2a中所示进行编号，可以看出齿1至齿5沿齿长方向的剥离长度先增加后减少，齿3沿齿长方向完全断裂。齿1至齿5均未发现明显塑性变形，属于脆性断裂。
图2 齿轮轴断齿区域形貌特征
观察齿面啮合情况可以看出左齿面（从输出端看）为工作齿面，观察断口形貌可以判断齿1至齿4主要是疲劳断口形貌，断口由疲劳源、扩展区、瞬断区三部分组成，疲劳源具有多处，均在左齿面节线附近靠齿根的区域，源区观察到连续麻坑，扩展区可以观察到疲劳辉纹、扩展台阶的疲劳断裂特征，扩展方向由轮齿左齿面到右齿面，瞬断区发生在右齿面齿根处。齿5断口形貌统一，没有明显分区域，断口较为粗糙，呈现为快速断裂的断口形貌，应为高应力下断裂所形成的，由此可以判断断裂顺序为齿1至齿5。未断裂轮齿齿面发现有麻点、麻坑，与疲劳源区的麻坑形貌接近，属于齿面点蚀缺陷，某些点蚀处发现有剥层、裂纹和贝纹线，如图3所示，贝纹线证明了疲劳断裂模式，贝纹线间距较大说明裂纹扩展速率快，整体形貌可以看出疲劳裂纹源于点蚀剥层区域，扩展初始阶段扩展速率较慢，断口较为光滑，扩展过程中有多个小裂纹进行扩展，小裂纹相聚后形成扩展台阶，中后期扩展速率较快，形成明显贝纹线，最后齿面材料剥落。
图3 齿轮轴一轮齿齿面点蚀形貌特征
齿轮轴锻材性能对齿面疲劳性能会产生影响，对齿轮轴锻材成分、非金属夹杂物、低倍组织进行了检测。在断齿区域附近切取试样进行成分和非金属夹杂物分析，在距离轮齿端面20mm处的轴部切取整个横截面进行低倍观察。
18CrNiMo7-6钢的合金成分主要有Si、Mn、Cr、Mo、Ni，有害元素控制S、P，气体检测[H][O][N]，使用CS-901B碳硫分析仪、iCAP6300 ICP发射光谱仪以及ONH836氧氮氢分析仪对合金成分和气体含量进行了检测，结果如表1，齿轮轴化学成分、气体含量均符合要求，[H]含量虽然在制造和服役过程中会逸出，但从断裂模式判断齿轮轴断裂不是氢导致的断裂。
锻材中非金属夹杂物为组织缺陷处，破坏基体的连续性，还会引起[H]等有害元素钉扎，外力作用下容易引起裂纹萌生。对试样纵截面按照国标GB/T10561《钢中非金属夹杂物含量的测定》用金相显微镜检测齿轮轴本体非金属夹杂物，结果如表2所示，夹杂物级别最大为0.5级，符合技术要求，与S、[O]等夹杂物组成元素检测结果相符。
表1 化学成分、气体含量的要求范围和检测结果
表2 非金属夹杂物要求范围和检测结果
表3 低倍组织要求范围和检测结果
低倍试样经过热盐酸酸洗后观察表面情况，按照国标 GB/T1979《结构钢低倍组织缺陷评级图》进行评级，评级结果如表3，锻材组织致密，没有观察到点状偏析以及气孔、裂纹、白点、翻皮等缺陷，锻材低倍组织符合要求。
齿面点蚀主要是由于在交变循环载荷下，齿面承受的接触应力超过接触疲劳极限造成的，而硬齿面轮齿接触疲劳性能与齿面硬度、硬化层深度密切相关。该齿轮经过渗碳淬火回火后齿面硬度要求范围为58HRC～62HRC，硬化层深度要求0.9mm～1.2mm。在齿轮轴断齿区域切取完整齿形试样，如图4，试样最左面的左齿面上存在点蚀，以没有宏观缺陷的齿槽横截面为研究对象，分析齿面硬化情况。
图4 断齿区域处截取的齿形试样
试样打磨抛光后，按照GB/T9450《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》方法，使用FM-ARS9000全自动显微硬度计测定齿面节线处硬度随距离齿面深度的分布情况，每个深度处测定三个硬度值，然后取平均值作为该深度硬度值，齿面硬度分布如图5。硬度分布曲线有明显“低头”现象，距离齿面0.1mm处硬度为487HV（48HRC），低于齿面要求硬度下限（58HRC）17%，齿面硬度随着距离的增加而先升高后降低，在距离齿面0.6mm处硬度最高达到610.9HV（55.88HRC）。
图5 节线处齿面的硬度分布曲线
齿面接触疲劳极限与表面硬度关系可以表示为公式1，由此可知齿面表面硬度降低将直接降低齿面接触疲劳极限，在轮齿啮合工作时，若齿面受到的接触应力大于齿面接触疲劳极限，在重复接触应力作用下，轮齿表面及压表面将产生裂纹，经扩展多条裂纹相连，产生材料剥落，形成蚀坑，发生点蚀。
式中：x为最终表面硬度（HBW或HV），A、B为常数。
试样打磨、抛光、4%硝酸酒精腐蚀后，使用Axio Vert A1金相显微镜观察轮齿节线表面，齿根表面以及心部微观组织，如图6所示。心部组织中板条马氏体均匀，游离铁素体含量低，符合技术要求。节线表面组织中针状马氏体细小，残奥含量低，碳化物细小弥散分布，但存在脱碳现象，脱碳层深度大约0.2mm，在表面至0.1mm处脱碳最严重。齿根表面没有发现脱碳，金相组织符合技术要求。
脱碳是由可造成脱碳的气体与C或者Fe3C相遇扩散的作用，齿轮轴齿面脱碳会导致组织中含碳量降低，部分组织转变为铁素体，从而降低齿面硬度、耐磨性以及抗疲劳性能，这与齿面硬度分布相一致。
图6 不同位置处金相组织
（a）节线表面（b）齿根表面（c）心部
失效齿轮材质成分符合18CrNiMo7-6钢技术要求，锻件组织致密，没有发现夹杂、偏析等冶金缺陷。轮齿齿面硬度明显低于硬齿面要求硬度范围，齿面表面组织存在脱碳现象，脱碳造成齿面表面硬度和接触疲劳强度降低，是失效齿轮轴发生齿面点蚀的原因。脱碳形成温度较高，一般是由于渗碳过程中炉内气氛不纯净导致的。
（1）失效齿轮轴失效模式为齿面点蚀+疲劳断裂+快速断裂，断裂过程为齿轮轴在服役过程中，轮齿啮合过程中承受的接触应力高于接触疲劳极限，导致多个轮齿工作齿面发生点蚀，随着周期性接触应力的延续，齿面点蚀处引起应力集中发展成多点疲劳源，萌生疲劳裂纹并扩展直至轮齿断裂，随着相邻轮齿的断裂，最后断裂轮齿承受较高应力最终快速断裂。
（2）通过对齿轮轴冶金质量、齿面硬度以及微观组织分析,失效齿轮轴发生齿面点蚀的原因是齿面脱碳，从而导致齿面表面硬度和接触疲劳强度降低。
（3）为了避免此类事故，齿轮轴在渗碳、淬火过程中高温保温阶段需要严格控制炉内气氛纯净为了避免此类事故，齿轮轴在渗碳、淬火过程中高温保温阶段需要严格控制炉内气氛纯净度、干燥度，防止渗碳层发生脱碳。
