軸是水泥選粉機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的重要組成部分,其作用是把高速電機(jī)的動(dòng)力傳輸?shù)饺隽媳P上,軸在工作過程中主要受扭轉(zhuǎn)和剪切力的作用[1]。某公司送檢的水泥選粉機(jī)型號(hào)為XR3400,工作環(huán)境為氣候潮濕的小風(fēng)力場(chǎng),其主軸在工作10 d左右發(fā)生斷裂,存在安全隱患。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)該水泥選粉機(jī)42CrMoA鋼軸斷裂原因進(jìn)行分析,以防止該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

斷裂的水泥選粉機(jī)42CrMoA鋼軸的生產(chǎn)工藝流程為：下料→調(diào)質(zhì)處理→粗車→精磨軸承位→銑鍵槽等。斷裂水泥選粉機(jī)42CrMoA鋼軸斷口宏觀形貌如圖1所示。 

圖  1  斷裂水泥選粉機(jī)42CrMoA鋼軸斷口宏觀形貌

由圖1可知：斷口呈典型疲勞斷裂特征,有明顯分層現(xiàn)象,分別為疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)；瞬斷區(qū)表面粗糙,可見明顯的放射狀撕裂棱；斷裂起源于軸的表面,裂紋起源處存在較多的臺(tái)階,說明裂紋并非起源于一處而是起源于多處；貝紋線間距較大,且在裂紋擴(kuò)展區(qū)可以觀察到縱向的撕裂紋；瞬斷區(qū)面積較大,約占斷裂橫截面積的40%。 

1.2   化學(xué)成分分析

在水泥選粉機(jī)42CrMoA鋼軸上未斷裂部分截取試樣,采用等離子發(fā)射光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：其化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)42CrMoA鋼的要求。 

1.3   力學(xué)性能測(cè)試

用線切割法在斷口附近切取某一截面,采用布氏硬度計(jì)對(duì)其進(jìn)行硬度測(cè)試(試驗(yàn)載荷為1 840 N,保載時(shí)間為10 s)。為了保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠,測(cè)試3個(gè)點(diǎn),測(cè)試結(jié)果分別為255,257,256 HBW。由測(cè)試結(jié)果可知：42CrMoA鋼軸橫截面硬度較均勻。 

采用機(jī)械加工方法在水泥選粉機(jī)42CrMoA鋼軸未斷裂處截取拉伸試樣,采用電－液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),結(jié)果如表2所示。由表2可知：斷裂軸材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均低于GB/T 3077—2015對(duì)42CrMoA鋼的要求。由于軸直徑較大,采用油冷工藝對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的效果不好,因此出現(xiàn)調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能較低的現(xiàn)象。 

采用機(jī)械加工方法在水泥選粉機(jī)42CrMoA鋼軸未斷裂處截取3個(gè)沖擊試樣,按照沖擊試驗(yàn)要求,將其加工成規(guī)格為(長(zhǎng)度×寬度×高度)10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口沖擊試樣,結(jié)果如表3所示。由表3可知：斷裂軸的沖擊吸收能量接近GB/T 3077—2015對(duì)42CrMoA鋼的要求。 

1.4   金相檢驗(yàn)

在水泥選粉機(jī)軸斷裂處截取金相試樣,使用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣后,將其置于光學(xué)顯微鏡下觀察。斷裂軸的顯微組織形貌如圖2所示。由圖2可知：其組織為回火索氏體和條狀或塊狀鐵素體,按GB/T 13320—2007 《鋼質(zhì)模鍛件 金相組織評(píng)級(jí)圖及評(píng)定方法》評(píng)定其調(diào)質(zhì)級(jí)別,結(jié)果約為4級(jí)；軸中顯微組織存在一定帶狀組織偏析,沿該軸軸向排列,在偏析部位可以觀察到較大夾雜物。根據(jù)GB/T 13299—1991 《鋼的顯微組織評(píng)定方法》,該帶狀組織為3級(jí),帶狀組織不均為,導(dǎo)致該軸力學(xué)性能出現(xiàn)各向異性。 

圖  2  斷裂軸的顯微組織形貌

根據(jù)GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)水泥選粉機(jī)軸非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí),水泥選粉機(jī)鋼軸中存在較多的非金屬夾雜物(見圖3),主要為A類(硫化物類)和D類夾雜(球狀氧化物類),根據(jù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),將夾雜物評(píng)定為A類細(xì)系1.5級(jí)、A類粗系0.5級(jí)及D類1.5級(jí)。 

圖  3  斷裂軸中非金屬夾雜物微觀形貌

已有研究表明[2－3],非金屬夾雜物破壞了金屬材料的連續(xù)性,在交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用下,夾雜物周圍容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,同時(shí)夾雜物本身也存在自身開裂的可能性,這是疲勞裂紋源形成的促進(jìn)因素,能顯著降低服役軸的抗疲勞性能。通常,夾雜物距零件表面越近和夾雜物尺寸越大,抗疲勞性能越差,所以在冶煉軸類零件制造用鋼過程中,應(yīng)嚴(yán)格控制夾雜物的種類和尺寸。 

2.   綜合分析

從宏觀斷口分析可知,送檢水泥選粉機(jī)鋼軸斷裂形式為扭轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。斷裂首先發(fā)生在夾雜物和帶狀組織缺陷處,然后在扭轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力和淬火內(nèi)應(yīng)力的共同作用下,裂紋緩慢擴(kuò)展,不同平面多個(gè)裂紋源在擴(kuò)展過程中產(chǎn)生交匯,在邊緣處形成了臺(tái)階狀紋樣。在裂紋的擴(kuò)展區(qū)形成了較寬的“貝紋線”及與裂紋擴(kuò)展方向呈縱向的撕裂紋。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí),鋼軸無法承受應(yīng)力作用而發(fā)生瞬斷,在邊緣瞬斷區(qū)形成了剪切唇。 

斷裂鋼軸的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求,由送檢鋼軸的拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知,該軸的力學(xué)性能比正常42CrMoA鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)的力學(xué)性能差,這是由于軸本身直徑較大,采用油冷工藝進(jìn)行調(diào)質(zhì)很難使其達(dá)到理想的調(diào)質(zhì)效果,因而出現(xiàn)力學(xué)性能較差的現(xiàn)象。由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知,原材料中存在較多A類(硫化物)非金屬夾雜物,該類夾雜物的存在降低了軸的抗疲勞性能,該類夾雜物外形較為尖銳,易形成應(yīng)力集中,從而導(dǎo)致微裂紋,同時(shí)硫化物夾雜的存在會(huì)使軸的耐腐蝕性能下降,易在表面形成疲勞源,從而縮短其使用壽命。另外,鋼軸具有明顯帶狀組織特征,由于其相鄰帶的顯微組織不同,淬火和回火后不同帶之間容易形成應(yīng)力集中,且材料的力學(xué)性能具有各向異性,使淬火畸變量變大,更易造成淬火開裂,因此應(yīng)將帶狀組織控制在2級(jí)以下[4－7]。由此可知,夾雜物和帶狀組織處易產(chǎn)生應(yīng)力集中,成為裂紋源,在扭轉(zhuǎn)載荷和淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力共同作用下,裂紋萌生并擴(kuò)展到一定程度后形成宏觀裂紋。 

3.   結(jié)論與建議

(1) 送檢鋼軸的斷裂形式為扭轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。軸臺(tái)階處最先開裂,多個(gè)疲勞源交匯擴(kuò)展,最后軸發(fā)生斷裂。 

(2) 送檢鋼軸原材料中存在較多A類(硫化物)非金屬夾雜物和3級(jí)帶狀組織,夾雜物和帶狀組織處易形成應(yīng)力集中,從而萌生裂紋,裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展導(dǎo)致鋼軸斷裂。 

(3) 送檢鋼軸的尺寸較大,建議優(yōu)化調(diào)質(zhì)工藝。 

(4) 建議在軸的后續(xù)制造和采購(gòu)過程中,加大對(duì)原材料非金屬夾雜物的控制力度。 

(5) 建議在使用過程中加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的保護(hù),防止工作環(huán)境出現(xiàn)異常的扭轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力。 

(6) 建議在調(diào)質(zhì)工藝前對(duì)材料進(jìn)行正火熱處理,以充分消除帶狀組織。 

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)