李愛軍 徐兆春 張文全 王 軍

(馬鋼第一鋼軋總廠 安徽馬鞍山 243000)

1 概況

2010年2月馬鋼第一鋼軋總廠2#120 t轉(zhuǎn)爐氧槍卷揚(yáng)減速機(jī)在使用過程中發(fā)生高速軸斷裂事故。為查明該軸失效原因，我們與技術(shù)中心檢驗(yàn)技術(shù)研究所對斷裂的減速機(jī)軸進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)分析及診斷。

該減速機(jī)于2001年安裝使用，至今已使用9年，減速機(jī)型號為JZQ750型圓柱齒輪減速機(jī)，驅(qū)動電機(jī)65 KW，該高速軸為45#鋼鍛件，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，要求軸硬度HB228-HB250，其它制造流程及詳細(xì)熱處理工藝不明。

2 宏觀觀察

對所委托的減速機(jī)斷裂軸進(jìn)行宏觀形貌觀察，在軸表面有一條寬18 mm、深5 mm的鍵槽，該鍵槽末端由長方形過渡到半圓形，減速機(jī)軸的斷裂部位位于此過渡區(qū)域，同時該軸在斷裂處左端具有一定錐度，右端為Φ60的圓柱體，斷裂部位位于變截面處，見圖1，兩斷裂面可良好匹配，斷口表面覆蓋大量鐵銹，斷口總體比較平坦，有擦傷痕跡，可看到疲勞源、擴(kuò)展區(qū)及最終瞬斷區(qū)三個區(qū)域。在斷口面上的細(xì)小貝紋線以鍵槽底部右側(cè)尖角處為圓心向周圍擴(kuò)散，可判斷此處為裂紋源，進(jìn)一步觀察可發(fā)現(xiàn)該處較為光滑，呈細(xì)晶狀，有塑性變形痕跡。裂紋擴(kuò)展區(qū)可觀察到以疲勞源為中心向四周推進(jìn)的細(xì)小貝紋線，在靠近瞬斷區(qū)貝紋線由密變疏，表明隨著疲勞裂紋的擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展速率不斷提高，從而形成疲勞裂紋加速擴(kuò)展區(qū)。最終瞬斷區(qū)面積較小，出現(xiàn)剪切唇，其原始斷口形貌已經(jīng)完全被破壞，但仍可判斷為塑性斷裂，據(jù)此可以認(rèn)為該軸在使用過程中載荷較低，具有旋轉(zhuǎn)疲勞斷裂的特征，屬于低應(yīng)力高周疲勞斷裂，并可判斷該軸是沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)的。

圖1 軸伸結(jié)構(gòu)及斷裂部位示意圖

3 檢驗(yàn)內(nèi)容

3.1 取樣

對減速機(jī)斷裂軸采用線切割分別截取光譜樣、硬度及低倍樣、拉伸樣及金相樣進(jìn)行檢驗(yàn)分析，取樣示意圖如圖3所示，其中圖2(b)中的1#、2#、3#為金相及掃描式樣。

3.2 化學(xué)成分檢驗(yàn)

采用ARL4460型火花源原子發(fā)射光譜儀進(jìn)行光譜分析，分析結(jié)果見表1。檢驗(yàn)結(jié)果表明該減速機(jī)軸材質(zhì)成分符合優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼GB/T 699-1999標(biāo)準(zhǔn)中的化學(xué)成分規(guī)定。

圖2 斷裂軸取樣部位示意圖

表1 減速機(jī)軸化學(xué)成分分析

3.3 硬度檢驗(yàn)及低倍酸洗觀察

對減速機(jī)軸的低倍樣進(jìn)行1∶1工業(yè)鹽酸水溶液熱蝕，經(jīng)觀察橫斷面無明顯宏觀低倍缺陷，僅有少量中心疏松(圖3)。在軸邊緣，1/4直徑和中心部位分別進(jìn)行硬度測試，結(jié)果分別為 243HB、238HB和247HB，滿足技術(shù)條件所規(guī)定的228HB-250HB的要求，但偏上限。

圖3 熱酸洗低倍宏觀組織

3.4 拉伸力學(xué)性能

對式樣進(jìn)行力學(xué)拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表2。檢驗(yàn)結(jié)果表明減速機(jī)軸的強(qiáng)度和塑性均達(dá)到國標(biāo)GB/T 699-1999要求，但延伸率偏下限。

表2 拉伸力學(xué)性能

軸的強(qiáng)度核算:

相關(guān)參數(shù):軸頭直徑為60 mm，高速軸，正反轉(zhuǎn)，工作中偶有沖擊載荷，最低轉(zhuǎn)速450 r/min，傳遞功率65 kw，材質(zhì)為45鋼，單側(cè)有鍵槽。

因在運(yùn)行過程中，軸主要承受扭轉(zhuǎn)力，故用轉(zhuǎn)化公式進(jìn)行核算(略)的結(jié)果為τp=37.169MPa。

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，材料45鋼，τp選值范圍為25 MPa-45 MPa。當(dāng)彎矩較小或只受扭矩作用÷載荷平穩(wěn)、無軸向載荷或只有較小的軸向載荷、減速機(jī)的低速軸，軸單向旋轉(zhuǎn)時τp取大值，反之應(yīng)取小值。而此軸的工況下應(yīng)取小值。由計(jì)算數(shù)據(jù)得低速運(yùn)轉(zhuǎn)時切向力偏大。

3.5 金相檢驗(yàn)

對圖2中的金相樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)分析，經(jīng)磨制后光片置于顯微鏡下觀察。1#試樣(疲勞源，縱向)和2#試樣(擴(kuò)展區(qū)，縱向)存在較多的硫化物和氧化鋁夾雜，說明材料冶金質(zhì)量較差，夾雜物評級結(jié)果和形貌如表3及圖4所示。經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后，1#、2#試樣顯微組織如圖5所示，均為貝氏體和少量珠光體，且組織不均勻，存在明顯的偏析現(xiàn)象。根據(jù)技術(shù)條件，斷裂減速機(jī)軸材質(zhì)為45#鋼，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，45#鋼屬于中碳結(jié)構(gòu)鋼，其調(diào)質(zhì)處理可以獲得以回火索氏體為主的顯微組織，而不是貝氏體+少量珠光體，說明該軸的熱處理工藝不當(dāng)。對偏析區(qū)和正常區(qū)域的顯微硬度測試表明偏析區(qū)顯微硬度明顯高于正常區(qū)域，如表4所示。軸表面和心部組織無明顯區(qū)別，表明該軸未經(jīng)過滲碳處理或其他表面處理而直接投入使用。對3#試樣金相檢驗(yàn)結(jié)果與此類似。

表3 減速機(jī)軸夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果

表4 偏析區(qū)和正常區(qū)域顯微硬度檢驗(yàn)結(jié)果

圖4 1#、2#式樣夾雜物形貌

圖5 1#、2#式樣顯微組織

3.6 掃描電鏡觀察

在斷口面截取疲勞源和擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行斷口掃描電鏡(SEM)分析。疲勞源區(qū)形貌如圖6(a)、(b)所示。在此區(qū)域斷口較為平滑，呈瓷質(zhì)狀結(jié)構(gòu)，這是由于疲勞裂紋在該區(qū)域擴(kuò)展速度較慢及裂紋反復(fù)張開和閉合而使斷面磨光的緣故，并在源區(qū)發(fā)現(xiàn)二次裂紋。隨著疲勞裂紋的擴(kuò)展，斷口由一系列高低不平的臺階所構(gòu)成，呈現(xiàn)貝紋狀，如圖(c)、(d)所示。這進(jìn)一步說明減速機(jī)軸斷裂是疲勞斷裂。

圖6 斷口微觀形貌

4 檢驗(yàn)結(jié)果分析

檢驗(yàn)分析表明該減速機(jī)軸材質(zhì)化學(xué)成分符合優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼GB/T 699-1999標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)低倍檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)明顯的宏觀缺陷。根據(jù)力學(xué)性能及金相組織檢驗(yàn)結(jié)果，表明減速機(jī)軸硬度和強(qiáng)度符合技術(shù)要求規(guī)定，但偏高。顯微組織主要以貝氏體+少量珠光體，而不是經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理所得到的回火索氏體，并且軸外表面沒有經(jīng)過滲碳處理或其他表面處理，表明該減速機(jī)軸在熱處理時存在工藝不當(dāng)，與貝氏體相比，回火索氏體具有較好的綜合機(jī)械性能。同時發(fā)現(xiàn)減速機(jī)軸材質(zhì)存在較多的夾雜物和明顯的偏析帶。夾雜物的存在割裂的基體，并造成應(yīng)力集中，同時偏析帶也易于產(chǎn)生組織應(yīng)力，促使疲勞裂紋快速擴(kuò)展。

根據(jù)斷口的宏觀形貌及斷裂部位表明該減速機(jī)軸經(jīng)長時間使用，在反復(fù)旋轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，導(dǎo)致了裂紋的萌生，產(chǎn)生疲勞源，由于鍵槽底部尖角、軸變截面及鍵槽末端長方形與半圓形過渡區(qū)域的應(yīng)力相互疊加而產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，在隨后的循環(huán)載荷作用下微裂紋不斷向軸基體內(nèi)擴(kuò)展，基體中的夾雜物和偏析現(xiàn)象進(jìn)一步促使了裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致減速機(jī)軸的斷裂。

5 結(jié)論

(1)檢驗(yàn)結(jié)果表明減速機(jī)軸化學(xué)成分滿足國標(biāo)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼GB/T 699-1999中關(guān)于45#鋼的要求。低倍檢驗(yàn)軸橫斷面，未發(fā)現(xiàn)明顯宏觀缺陷，硬度符合技術(shù)要求規(guī)定。

(2)該減速機(jī)軸屬于低應(yīng)力高周疲勞斷裂，由于超壽命周期運(yùn)行過程中鍵槽底部由于存在較大應(yīng)力集中是導(dǎo)致疲勞源產(chǎn)生的主要因素，其次軸基體中存在較多的夾雜物和偏析帶以及組織缺陷促使了疲勞裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致齒輪軸的疲勞斷裂。

［1］黃華梁，彭文生.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(第4版)［M］.北京:高等教育出版社，2007

［2］吳承建等.金屬材料學(xué)(第2版)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2009