風(fēng)電主軸是風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件,在風(fēng)機(jī)中起到連接葉片輪轂和齒輪箱、傳遞動(dòng)能的作用[1]。風(fēng)電主軸服役壽命長(zhǎng)且服役環(huán)境惡劣,極易發(fā)生斷裂事故[2-4]。因此,需要嚴(yán)格控制主軸的質(zhì)量和性能[5],這導(dǎo)致主軸的生產(chǎn)難度較大,在生產(chǎn)過(guò)程中容易出現(xiàn)開裂報(bào)廢等情況[6-9]。 

某QT500-14風(fēng)電主軸在鑄造成型后的開箱檢驗(yàn)過(guò)程中,采用切割方式將鎖定孔內(nèi)披縫去除,去除后未見(jiàn)明顯裂紋,靜置5 d后,發(fā)現(xiàn)鎖定孔邊緣部位出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,裂紋從鎖定孔邊緣一直貫穿至中心,導(dǎo)致該主軸報(bào)廢。為了查找開裂原因,筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、掃描電鏡（SEM）分析、金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能測(cè)試等方法分析了鎖定孔開裂的原因,以防止該類問(wèn)題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

開裂鑄造風(fēng)電主軸及其斷口宏觀形貌如圖1所示,該主軸鎖定孔邊緣發(fā)生開裂現(xiàn)象,開裂位置如圖內(nèi)方框所示。沿著裂紋打開主軸,打開后的裂紋斷口如圖1c)所示。對(duì)斷口進(jìn)行仔細(xì)觀察,發(fā)現(xiàn)斷口較平齊,斷口表面局部可見(jiàn)明顯的紅褐色氧化產(chǎn)物,斷口可見(jiàn)明顯的裂紋擴(kuò)展痕跡,裂紋擴(kuò)展方向如圖中箭頭所示,裂紋源位于切割面附近,如圖1c),1d)中橢圓所示。此外,斷口及其附近未見(jiàn)明顯的塑性變形。 

圖  1  開裂鑄造風(fēng)電主軸及其斷口宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

從鎖定孔的遠(yuǎn)離切割面處截取試樣,用X射線熒光光譜儀和高頻紅外碳硫分析儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：主軸的化學(xué)成分符合技術(shù)要求。 

1.3   掃描電鏡分析

利用線切割方法在裂紋源位置及遠(yuǎn)離裂紋源位置分別取樣,用乙醇溶液清洗后,將試樣放入掃描電子顯微鏡中觀察。開裂主軸斷口裂紋源附近及遠(yuǎn)離裂紋源處SEM形貌如圖2~3所示。由圖2~3可知：斷口邊緣約2 mm區(qū)域未見(jiàn)明顯球狀石墨,可判斷裂紋源位于過(guò)渡區(qū)附近,繼續(xù)向內(nèi)可見(jiàn)明顯的球狀石墨密集分布區(qū)域,該區(qū)域的寬度分布不均（見(jiàn)圖2）；超過(guò)石墨密集分布區(qū)域后,呈穿晶開裂特征形貌,石墨分布彌散（見(jiàn)圖3）。裂紋源處石墨的密集程度明顯高于遠(yuǎn)離裂紋源處。 

圖  2  開裂主軸斷口裂紋源附近SEM形貌

圖  3  開裂主軸斷口遠(yuǎn)離裂紋源處SEM形貌

1.4   金相檢驗(yàn)

從平行于開裂斷口裂紋源處取樣,將試樣磨制、拋光后置于光學(xué)顯微鏡下觀察,觀察靠近裂紋源處的球化情況,再用5%（體積分?jǐn)?shù)）的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,將腐蝕后試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：靠近裂紋源處試樣的石墨呈蠕蟲狀和團(tuán)絮狀、團(tuán)狀聚集分布,石墨分布很不均勻[見(jiàn)圖4a）]；顯微組織為淬火馬氏體+珠光體+萊氏體+鐵素體,鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%[見(jiàn)圖4b）~4d）]。 

圖  4  斷口裂紋源處微觀形貌

斷口遠(yuǎn)離裂紋源處微觀形貌如圖5所示。由圖5可知：遠(yuǎn)離裂紋源處的石墨大部分呈球狀和團(tuán)狀分布,石墨分布比較均勻,球化率大于90%,石墨大小級(jí)別為6級(jí)[見(jiàn)圖5a）],鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于95%[見(jiàn)圖5b）],組織為鐵素體和少量沿鐵素體晶界析出的碳化物[見(jiàn)圖5c）~5d）], 符合產(chǎn)品要求。 

圖  5  斷口遠(yuǎn)離裂紋源處微觀形貌

1.5   力學(xué)性能測(cè)試

截取開裂主軸本體和附鑄試塊的材料,并將其制成拉伸試樣,按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果如表2所示。由表2可知：斷裂主軸和附鑄試塊的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均符合技術(shù)要求。 

2.   綜合分析

靠近切割面的顯微組織為馬氏體,說(shuō)明該位置在加熱到一定溫度后經(jīng)歷過(guò)迅速冷卻的過(guò)程。在迅速冷卻的過(guò)程中,過(guò)渡區(qū)附近會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力。裂紋源位于過(guò)渡區(qū)附近,石墨明顯密集分布,石墨密集分布將導(dǎo)致局部區(qū)域的抗拉強(qiáng)度偏低。切割結(jié)束后的周向拉應(yīng)力超過(guò)了該區(qū)域的抗拉強(qiáng)度,使材料產(chǎn)生微裂紋。微裂紋產(chǎn)生后,在殘余應(yīng)力和重力等局部應(yīng)力共同作用下,裂紋不斷擴(kuò)展,最終形成了較深的裂紋,導(dǎo)致主軸鎖定孔斷裂。 

3.   結(jié)語(yǔ)及建議

主軸鎖定孔切割面附近有明顯的石墨密集分布,在冷卻過(guò)程中,局部?jī)?nèi)應(yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度而產(chǎn)生微裂紋；微裂紋在殘余應(yīng)力等局部應(yīng)力的作用下不斷延伸,最終導(dǎo)致主軸斷裂。建議提高原材料的質(zhì)量,保證基體中材料性能的均勻性；優(yōu)化切割工藝,切割前進(jìn)行預(yù)熱,切割后增加緩冷措施。 

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