清洁能源是指不排放污染物、能够直接用于生产及生活的能源，主要包括核能、风能、太阳能、潮汐能、生物能等，其中风能作为第三大清洁能源，越来越受到世界各国的重视。清洁能源虽然对环境友好，但其投资、维护费用高，需要提高风机单位质量的能量密度，以降低整机成本。风电齿轮箱为多级行星传动，具有零件多、精度高等特点。近年来，在风电增速齿轮箱中，越来越多地应用行星轮和轴承整合结构，将行星轮的内孔进行硬化处理，并作为轴承的外圈，该结构可以减小齿轮箱的体积、降低整机成本、避免行星轮与轴承发生打滑。
某批次用作滚道的行星轮材料为18CrNiMo7-6钢，在经过渗碳淬火+回火工序后，对其进行精磨，随后按照 GB/T 17879—1999 《齿轮磨削后表面回火的浸蚀检验》对其进行磨削烧伤检测，腐蚀结束后发现行星轮内孔表面出现较多均匀分布的黑点。磨削热会引起齿面回火或二次淬火，从而使行星轮的组织发生变化，因此需对行星轮进行磨削烧伤检测，其检测原理为：经硝酸溶液腐蚀后，烧伤区域与未烧伤区域的颜色存在差异。磨削烧伤检测过程中，体积分数为3%~5%的硝酸水溶液用于腐蚀试样，体积分数为4%~6%的盐酸水溶液用于试样脱色，以及pH不小于10的碱性溶液用于中和溶液。除磨削烧伤检测过程外，整个生产、检测过程中，零件均不接触腐蚀性介质。研究人员采用一系列理化检验方法,查明了该批次行星轮内孔表面产生黑点的原因，以防止该类问题再次发生。
1、 理化检验
1.1 宏观观察
在行星轮内孔处取样，将试样进行最小程度的磨平及抛光处理，然后按照GB/T 17879—1999对试样进行磨削烧伤腐蚀，其中硝酸乙醇溶液及盐酸水溶液的体积分数均为4%，腐蚀的时间为30s，腐蚀后试样的宏观形貌如图1所示,可见行星轮内孔表面有黑点。
1.2 化学成分分析
在行星轮内孔处取样，对其进行化学成分分析，结果如表1所示，可见该行星轮的化学成分符合GB/T 3077—1999《合金结构钢》对18CrNiMo7-6钢的要求。
1.3 扫描电镜(SEM)及能谱分析
采用SEM对黑点进行观察，结果如图2所示。对黑点进行能谱分析，分析位置如图2所示，分析结果如表2所示，可见黑点主要含有O、Mg、Al、Ca、Mn、S等元素。
采用SEM对非金属夹杂物进行观察，结果如图3所示。
1.4 金相检验
在行星轮内孔处截取试样，将试样进行磨制、抛光、腐蚀处理，然后用光学显微镜对其进行观察，结果如图4所示，可见内孔渗层组织为细针状马氏体+少量残余奥氏体，心部组织为贝氏体+马氏体。
采用光学显微镜观察非金属夹杂物的抛光态和腐蚀态形貌，结果如图5，6所示。由图5，6可知：非金属夹杂物主要为A类夹杂物、B类夹杂物、D类球状氧化物；所有非金属夹杂物均被腐蚀，且夹杂物脱落后形成腐蚀坑的尺寸比夹杂物的尺寸更大；夹杂物级别分别为A0.5，B1.0，C0，D1.5，DS0.5级。
1.5 黑点数量统计
在行星轮内孔表面取尺寸为14mm×16mm(长度×宽度)的试样，在超景深显微镜下对试样进行观察，结果如图7所示。
分别在100%放大显示及40%缩小显示两种情况下统计可见黑点的总数，按照GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》计算对应倍数下单位视场内的黑点数量，发现在100%放大显示及40%缩小显示下，单位视场内的平均黑点数量分别为6.4个和3.7个。依据GB/T 10561—2005对黑点进行非金属夹杂物评级，判断黑点为夹杂物被腐蚀后形成的腐蚀坑。
2、 综合分析
黑点数量统计结果显示：100%放大显示下，单位视场内的平均黑点数量约为6.4个，在40%缩小显示下,单位视场内的平均黑点数量为3.7个。依据单位视场内的黑点数量进行非金属夹杂物评级，结果为 A1.5、B1.5、C1.5、D1.5、DS1.0级，说明夹杂物被腐蚀且形成了腐蚀坑，宏观显示为黑点。磨削烧蚀检测中，A类、B类及 D类夹杂物(试样未见C类夹杂物)均被腐蚀，形成了腐蚀坑，且不同夹杂物被腐蚀后形成的腐蚀坑尺寸不同，其中A类、B类夹杂物腐蚀后形成的腐蚀坑在长度方向的平均增幅为24%，宽度方向的平均增幅为480%；D类夹杂物腐蚀后形成的腐蚀坑直径的平均增幅为69%。说明A类、B类夹杂物被腐蚀后，周围的基体也会被腐蚀，形成腐蚀坑的尺寸更大，而D类夹杂物被腐蚀后，基体虽然也会被腐蚀，但形成腐蚀坑的尺寸较小，说明其腐蚀程度较轻。
3、 结论
行星轮内孔表面产生黑点的原因为：在磨削烧伤检测中，行星轮内孔表面的非金属夹杂物及其周围基体被腐蚀，并形成了腐蚀坑，宏观表现为黑点。
作者：晁永强，刘聪颖，王涛，马宏利，赵龙，解明雨，何建飞，杨德文，曹云
单位：重庆齿轮箱有限责任公司 大型高精齿轮检测实验室
来源：《理化检验-物理分册》2023年第7期
