電機軸是安裝于風扇電機中的主要構件之一,其通過轉動傳遞力矩。某型電機在2022年1月因內風扇故障送修,修復后于2022年7月試機運行,運行過程中主電機振動頻率突然增大,停機檢查發現主電機軸與錐套之間出現2條斜向裂紋,并伴有金屬碎塊脫落現象,電機軸材料為42CrMo鋼。筆者對該電機軸進行分析,找出其開裂原因,并提出改進建議,避免該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

對開裂電機軸進行宏觀觀察,發現在電機軸總長約1/3位置存在3條呈八字形分布的裂紋,裂紋分布形態相似且裂紋尖細(見圖1)。沿裂紋處人工打開,對斷口進行宏觀觀察,可見斷口呈多源疲勞特征形貌,疲勞源位于軸表面,擴展區較平整(見圖2)。 

圖  1  電機軸裂紋宏觀形貌

圖  2  電機軸斷口宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在電機軸斷口附近取樣,對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：電機軸基體的化學成分符合GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》對42CrMo鋼的要求,堆焊層材料為低碳鋼。 

1.3   金相檢驗

在斷口附近位置取樣,對試樣進行金相檢驗,結果如圖3所示。由圖3可知：試樣拋光態下可見起始于表面的二次裂紋和起始于斷裂面的二次裂紋；腐蝕后試樣表面存在一層厚度為1.70 mm的堆焊層,堆焊層內無裂紋,堆焊層和基體結合良好,無疏松、孔洞等缺陷；堆焊層組織為鐵素體＋珠光體,堆焊層相鄰過熱區的組織為自回火馬氏體,基體組織為回火索氏體；基體未發現過熱、過燒特征。 

圖  3  電機軸斷口試樣的金相檢驗結果

在開裂位置附近截取橫向低倍試樣,對試樣進行腐蝕處理,然后對試樣進行低倍組織檢驗,結果如圖4所示。由圖4可知：試樣表面可見一層堆焊層,堆焊層內無裂紋、疏松缺陷,堆焊層和基體之間結合良好,無缺陷。在熔合線靠近基材一側有明顯的焊接過熱區特征。基體橫向試樣低倍組織評級結果如表2所示。 

圖  4  橫向試樣的低倍組織檢驗結果

1.4   力學性能測試

在距電機軸表面1/3R位置取樣,對試樣進行力學性能測試,結果如表3所示。 

在電機軸截面處取樣,對試樣進行硬度測試,電機軸表面至心部的硬度測試結果如表4所示。 

1.5   掃描電鏡(SEM)分析

在斷口處取樣,將試樣清洗后置于掃描電鏡下觀察,分析位置如圖5所示,分析結果如圖6所示。由圖6可知：A區和C區的形貌相差不大,均為疲勞起始區；A區表面呈準解理斷裂特征形貌,該區域未發現微裂紋；A區次表層呈沿晶斷裂特征形貌,由表面向內,晶粒尺寸逐漸變小；B區和E區的形貌相差不大,兩區的位于疲勞起始區邊緣,B區呈沿晶斷裂＋準解理斷裂特征形貌；D區為擴展區,呈準解理斷裂特征形貌。 

圖  5  掃描電鏡分析位置示意

圖  6  斷口的SEM形貌

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結果可知：該電機軸基體的化學成分符合標準要求,低倍組織和力學性能均無異常。電機軸表面存在3條呈八字形分布的裂紋。沿裂紋人工打開的斷口呈多源疲勞特征,疲勞源位于軸表面。對疲勞源區進行掃描電鏡分析,可見所有疲勞源微觀形貌相似,從表面至基體,疲勞源分別呈準解理、沿晶、準解理特征形貌。電機軸表面存在一層厚度為1.70 mm的堆焊層,堆焊層材料為低碳鋼,顯微組織為鐵素體＋珠光體,平均硬度為196 HV；堆焊層相鄰的過熱區組織為自回火馬氏體,平均硬度為484 HV；基體組織為回火索氏體,平均硬度為283 HV。基體無過熱、過燒特征。 

在1月份維修該電機軸過程中發現,軸表面磨損尺寸超差,對其進行堆焊修復。該電機軸堆焊后,表面形成鐵素體＋珠光體,平均硬度為196 HV,低于基體硬度。在堆焊層下的軸表面形成過熱區,過熱區組織為自回火馬氏體,該組織硬度較高,具有較大的組織應力,且不穩定脆性較大,是因堆焊工藝控制不良形成的缺陷組織。在運轉過程中,電機軸主要承受扭轉載荷,軸表面受到的應力最大,在交變應力作用下,在軸表面的薄弱處形成微裂紋,裂紋沿最大切應力面擴展。該電機軸最薄弱的位置是表面堆焊層及臨近的次表面過熱區,而其受力最大位置也位于表面,在受力過程中,表面堆焊層形成微裂紋,微裂紋快速擴展并匯聚形成多疲勞源。該電機軸上可見3條裂紋,裂紋在扭矩的作用下呈八字形擴展,因自回火馬氏體的脆性較大,次表面的過熱區呈沿晶斷裂特征。 

軸類零件的結構單一、尺寸較大且不易損壞,如果出現斷裂等嚴重影響結構強度、尺寸的情況,就必須更換新軸,而對于一些磨損、拉傷類損傷,則主要以修復為主。目前常用的修復工藝為堆焊法和熱噴涂法,堆焊法是通過熔敷一定厚度的金屬,修復機械設備工作表面磨損部分和金屬表面殘缺部分[1],該方法操作簡單,但堆焊后緩冷時間較長。堆焊修復時,要根據堆焊工件使用狀況,選用適宜的焊接材料,并制定正確的堆焊工藝,防止焊接變形和開裂。堆焊過程中,應對焊前預熱、焊后緩冷及道間溫度進行控制,以得到理想的堆焊效果。該電機軸堆焊選用的修復材料為低碳鋼,其強度較低,堆焊后組織為鐵素體＋珠光體,堆焊層的硬度、強度低于基體,電機軸的維修效果不理想。此外,在堆焊修復時,由于堆焊工藝不當,過熱區形成了脆性自回火馬氏體,因該組織不穩定且組織應力大,在使用過程中使裂紋加速擴展。 

3.   結論與建議

電機軸表面堆焊工藝不當,導致堆焊層的硬度和強度較低,電機軸在運轉過程中主要承受扭轉載荷,軸表面所受應力最大,軸表面堆焊層形成微裂紋,最終導致電機軸發生開裂。 

堆焊修復時應選用與基體強度相近的材料。堆焊修復時應嚴格控制道間溫度,并采取合理的焊后緩冷工藝,改善熔合線附近組織,降低硬度,減弱脆性,還可以采用熱噴涂工藝對電機軸進行修復。 

文章來源——材料與測試網