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        火炬回收機電機轉(zhuǎn)子軸斷裂分析

        2015-01-13 05:41:05王海平蘇婷婷馬小強楊海軍
        化工機械 2015年5期
        關(guān)鍵詞:堆焊斷口電動機

        王海平 蘇婷婷 馬小強 楊海軍

        (天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司)

        某石化公司火炬回收機電機轉(zhuǎn)子軸在運行過程中,發(fā)現(xiàn)電動機振動突然增大,隨后電動機停止運行,檢查發(fā)現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)子軸伸端已經(jīng)斷裂,電動機定子、轉(zhuǎn)子有輕微掃膛的痕跡。檢查運行記錄發(fā)現(xiàn),一年前由于該軸的磨損比較嚴(yán)重,出現(xiàn)軸承跑套故障,在維修過程中,對軸的磨損部位進行堆焊處理。類似磨損事故已經(jīng)連續(xù)發(fā)生多次。筆者對轉(zhuǎn)子軸斷裂部位和未斷裂部位分別取樣分析,探討了該軸斷裂的原因,同時為防止此類故障的發(fā)生提出了建議。

        1 轉(zhuǎn)子軸運行工況介紹

        電動機轉(zhuǎn)子軸材料為40Cr鋼,非軸伸端規(guī)格為φ150 mm×1500mm,軸伸端規(guī)格為φ100 mm×500mm。主要技術(shù)參數(shù)為:

        型號 YAKK 4501- 2

        功率 450kW

        額定電壓 6kV

        額定電流 53.6A

        額定轉(zhuǎn)速 2 980r/min

        2 試驗分析

        2.1宏觀檢查

        圖1為轉(zhuǎn)子軸斷口宏觀形貌,可以看出斷口灰暗,粗糙不平,裂紋源起始于軸表面,并沿周向擴展,斷裂區(qū)有明顯的塑性變形。

        圖1 斷口宏觀形貌

        2.2化學(xué)成分分析

        材料化學(xué)成分的波動,尤其是構(gòu)成材料的主要化學(xué)元素的含量對材料熱處理的性能會產(chǎn)生顯著的影響[1]。采用SPECTROLAB直讀光譜儀對斷裂軸材料進行了化學(xué)分析,結(jié)果見表1。可以看出,斷裂軸的化學(xué)成分符合GB/T 3077- 1999對40Cr鋼的要求。

        2.3力學(xué)性能檢驗

        表1 化學(xué)成分

        在軸完好部位1/2半徑處取樣進行常溫拉伸試驗和沖擊試驗,結(jié)果見表2??梢钥闯?,強度低于標(biāo)準(zhǔn)值,且沖擊吸收功非常低,不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。1/2半徑處布氏硬度為210~215HB,堆焊區(qū)的布氏硬度范圍為199~233HB,GB/T 3077- 1999標(biāo)準(zhǔn)要求布氏硬度不大于207HB,硬度基本符合要求。綜合力學(xué)性能可知該軸強度不符合技術(shù)要求,韌性差、缺口敏感度高。

        表2 力學(xué)性能

        2.4金相檢驗

        在離斷裂部位10mm處取樣進行微觀組織觀察,取樣位置如圖2所示。可以看出有明顯的堆焊層,斷口附近徑向截面堆焊層金相組織為鐵素體+珠光體+魏氏體,如圖3所示,分析表明堆焊層內(nèi)部存在多處層間未熔合,并伴有大量魏氏體組織,從而降低了堆焊層的力學(xué)性能和使用性能。

        圖2 金相取樣位置

        圖3 堆焊層金相組織

        宏觀檢查完好部位徑向截面邊緣處組織和1/2半徑處組織均為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體,如圖4、5所示,屬典型的正火組織,晶粒度5~7級,但組織不均勻,并伴有微裂紋存在。而標(biāo)準(zhǔn)要求40Cr鋼做軸類零件應(yīng)進行調(diào)質(zhì)處理,正常的組織為回火索氏體。軸原材料夾雜物形貌如圖6所示,根據(jù)GB/T 10561- 2005,夾雜物級別分別為A類3.0級,B類1.0級,C類1.5級,D類2.0級和DS類0級。

        圖4 軸完好部位徑向截面邊緣處金相組織

        圖5 軸完好部位徑向截面1/2半徑處金相組織

        圖6 非金屬夾雜物 ×100

        2.5斷口掃描電鏡與能譜分析

        采用JSM- 6510掃描電鏡對斷口斷裂源區(qū)進行微觀形貌觀察,如圖7所示。

        由圖7a可以看出邊緣堆焊區(qū)域與基體存在明顯分層現(xiàn)象,有較多的夾雜物存在,表明堆焊工藝不合理。由圖7b可以看出斷口存在大量疲勞紋,局部區(qū)域存在因高溫和扭曲形成的熔化形貌。由圖7c、d可以看出典型的撕裂區(qū),存在大量韌窩。

        圖7 斷口形貌

        對斷口處白色區(qū)域進行能譜分析,結(jié)果顯示O、Al、S含量很高,表明夾雜物為氧化物和硫化物。

        3 討論

        40Cr 鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后,具有良好的綜合力學(xué)性能和低溫沖擊韌性、較低的缺口敏感性以及淬透性良好等優(yōu)點[2]。如果鍛造和軋制工藝控制不當(dāng),毛坯中往往會存在成分偏析、原始組織晶粒粗大以及內(nèi)部組織分布不合理等冶金與組織缺陷[3]。如果熱處理工藝選擇不合理,這些不良組織就會存在于軸的內(nèi)部,降低材料的使用性能,縮短軸的服役壽命。

        根據(jù)以上檢驗結(jié)果分析認(rèn)定該軸的最終熱處理不符合標(biāo)準(zhǔn)要求,導(dǎo)致其組織異常,力學(xué)性能不合格,又由于原材料存在大量夾雜物,最終導(dǎo)致了使用過程中磨損非常嚴(yán)重。堆焊處理后,由于堆焊工藝不合理,現(xiàn)場維修條件限制,時間緊迫,不能進行焊后熱處理,導(dǎo)致堆焊后缺陷較多,這些缺陷處的應(yīng)力集中非常高,在應(yīng)力作用下裂紋向內(nèi)部快速擴展,導(dǎo)致了軸的斷裂。

        4 結(jié)論與建議

        4.1原材料存在大量夾雜物,并伴有微裂紋存在,組織中存在網(wǎng)狀鐵素體,由于熱處理工藝不當(dāng),力學(xué)性能不合格。

        4.2軸表面修復(fù)時堆焊層的焊接工藝不合理,線能量過大,導(dǎo)致焊接部位出現(xiàn)層間未熔合和大量魏氏體組織。

        4.3建議加強原材料的控制和性能檢測,定期檢查電動機振動情況。

        4.4建議電機檢維修過程中優(yōu)化焊接工藝、安裝過程中提高裝配精度可避免焊接缺陷的產(chǎn)生。

        [1] 閻光宗,徐雪霞,孫澎.40Cr鋼磨煤機軸斷裂失效分析[J].金屬熱處理,2011,36(9):104~105.

        [2] 曾正明.機械工程材料手冊[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2005: 174.

        [3] 盧銀德,楚堂明,朱萬山.工業(yè)泵曲軸斷裂原因分析與工藝改進[J].金屬熱處理,2008,33(6):105~106.

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