潘玉龍

（山西寧武大運(yùn)華盛老窯溝煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

引言

輸送帶是帶式輸送機(jī)最容易出現(xiàn)故障的部件，而輸送帶滑輪失效是輸送帶故障之一。因此，本文針對(duì)一個(gè)具體的輸送帶滑輪故障（見(jiàn)圖1）進(jìn)行了調(diào)查，并以實(shí)驗(yàn)的方法尋求其失效原因。

圖1 輸送帶滑輪故障實(shí)物圖

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

研究的輸送帶滑輪斷裂軸是用42CrMo4鋼生產(chǎn)的。這種鋼是由淬火和回火鋼組成的，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗?，抗拉?qiáng)度超過(guò)1 000 MPa，具有較高的力學(xué)性能。該鋼種廣泛應(yīng)用于經(jīng)常受到各種靜載荷和循環(huán)載荷的構(gòu)件。

根據(jù)EN ISO 6892-1:20 7a進(jìn)行拉伸測(cè)試，并根據(jù)EN ISO 148-1:20 7a進(jìn)行沖擊韌性測(cè)試。機(jī)械測(cè)試的樣品是從軸的邊緣和中心在縱向方向進(jìn)行測(cè)試。

通過(guò)碳和硫的燃燒分析以及X射線熒光光譜分析了被研究材料的化學(xué)組成。采用Tagarno FHD趨勢(shì)數(shù)字顯微鏡對(duì)斷裂表面進(jìn)行了分析。

如圖2所示，從斷口處取了金相分析的樣品。

圖2 金相分析樣品

金相組織研究采用尼康FXA光學(xué)顯微鏡和日立HV-C20A 3CCD攝像機(jī)，分析軟件進(jìn)行金相圖像分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 外觀檢驗(yàn)

外觀檢查發(fā)現(xiàn)，皮帶輪滾筒涂層有不均勻磨損的跡象。磨損情況表明在滑輪的一側(cè)存在額外的交替動(dòng)態(tài)載荷。滾筒涂層磨損是引起滑輪失效的主要原因之一。

圖3清楚地顯示了斷裂軸上粗加工的痕跡。骨折部位附近有明顯的劃痕和撕裂。斷裂發(fā)生在軸直徑由小到大的過(guò)渡階段。應(yīng)力集中通常出現(xiàn)在半徑轉(zhuǎn)換，已知會(huì)導(dǎo)致軸失效。

圖3 軸的破碎部分與粗加工表面的放大圖像

斷口顯示在井筒表面下有一個(gè)脊，這是一個(gè)可能的裂紋起始位置，如圖4所示。從脊到井筒中心的級(jí)數(shù)標(biāo)記，裂紋的擴(kuò)展呈河流狀，從脊到軸的邊緣表面在外觀上不同，有一個(gè)明顯的深色。因此，從山脊到邊緣的前進(jìn)標(biāo)志更難分辨。

圖4 斷口表面有明顯的級(jí)數(shù)標(biāo)志和可能的裂紋萌生位置

2.2 微觀結(jié)構(gòu)

材料的微觀結(jié)構(gòu)研究顯示，存在伸長(zhǎng)的錳硫和鋁基氧化物非金屬夾雜物，如圖5-1所示，這是意料之中的。顯微組織為偏析帶，如圖5-2所示，由馬氏體（M）、下貝氏體（LB）和上貝氏體（UB）組成，如圖5-3所示。

圖5 材料的微觀結(jié)構(gòu)

上貝氏體和下貝氏體的主要區(qū)別在于碳化物析出相。在上貝氏體中，貝氏體鐵素體未能解析，碳化物被困在鐵素體亞基之間。相比之下，下貝氏體鐵素體中含有細(xì)粒碳化物在貝氏體鐵素體板內(nèi)的彌散。其結(jié)果是，下貝氏體通常比上貝氏體具有更高的韌性。

這三種微觀結(jié)構(gòu)成分可以區(qū)分的事實(shí)表明有不適當(dāng)或沒(méi)有退火。缺乏適當(dāng)?shù)耐嘶鸷蜕县愂象w將導(dǎo)致低沖擊韌性。

機(jī)械測(cè)試的樣品是通過(guò)軸的外部半徑和研究部分的中心進(jìn)行測(cè)試的。與外半徑相比，中心的力學(xué)性能更高。這是意料之外的，因?yàn)橥ǔＭ獍霃教幍牧W(xué)性能較高。根據(jù)EN883-2:2006，軸中心的拉伸性能滿(mǎn)足42CrMo4鋼的要求，而兩個(gè)位置的沖擊韌性都低于42CrMo4規(guī)范。這可能是熱處理不當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。

圖6-1是斷口且有指示的金相分析部位的二次裂紋的拋光樣品。試樣中存在垂直于主裂紋和平行于主裂紋的二次裂紋。閉合的平行裂紋表示較高的內(nèi)應(yīng)力，而次級(jí)裂紋則是典型的漸進(jìn)裂紋擴(kuò)展。閉合的平行裂紋沿晶形成，如圖6-2。

蝕刻半徑樣品顯示了軸表面的焊接存在。硬度（HV1）測(cè)量確認(rèn)了軸表面的熱影響區(qū)（HAZ）。在粗晶粒熱影響區(qū)，硬度從基材的250上升到480。硬度測(cè)量的差異證實(shí)了高內(nèi)應(yīng)力的存在，與圖6中所示的內(nèi)部裂紋一致。

圖6 裂紋金相圖

熱影響區(qū)顯微組織研究表明，在靠近斷口的半徑處，焊接材料厚約2 mm，熱影響區(qū)深>3 mm。熱影響區(qū)清楚地顯示了焊縫附近的粗晶粒區(qū)，該區(qū)域也給出了最高的硬度（HV1）為480。細(xì)晶區(qū)硬度（HV1）為400。回火區(qū)硬度降至母材硬度（HV1）為250。

在發(fā)現(xiàn)斷裂部位附近存在焊接后，檢查了軸的其余部分。在剩余的軸的橫截面上可以清楚地看到廣泛的焊接痕跡，焊接材料厚度可達(dá)5 mm。

軸的失效是由于表面焊接，結(jié)合不適當(dāng)?shù)臒崽幚砗蛣?dòng)態(tài)載荷。焊接的起源是未知的，它是出乎意料和隱藏的用戶(hù)。

3 結(jié)論

1）該軸是由42CrMo4鋼生產(chǎn)，然而有另一種材料焊接在軸的外半徑。焊接材料具有不同的化學(xué)成分和較低的機(jī)械性能比基材。外層焊接層大約5 mm厚。焊接的原因尚不清楚。

2）焊接過(guò)程在熱影響區(qū)產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。焊縫斷面硬度（HV1）為250~480之間存在較大差異。粗晶粒熱影響區(qū)尤其容易產(chǎn)生應(yīng)力開(kāi)裂。斷口附近出現(xiàn)閉合裂紋。軸的半徑加工不好，這導(dǎo)致額外的應(yīng)力集中。

3）顯微組織顯示鋼的熱處理不當(dāng)（存在上貝氏體），沒(méi)有或不充分退火。滾筒涂層的磨損痕跡揭示了輸送帶皮帶輪受力不均勻。