軸是水泥選粉機動力傳動機構的重要組成部分,其作用是把高速電機的動力傳輸到撒料盤上,軸在工作過程中主要受扭轉和剪切力的作用[1]。某公司送檢的水泥選粉機型號為XR3400,工作環境為氣候潮濕的小風力場,其主軸在工作10 d左右發生斷裂,存在安全隱患。筆者采用一系列理化檢驗方法對該水泥選粉機42CrMoA鋼軸斷裂原因進行分析,以防止該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

斷裂的水泥選粉機42CrMoA鋼軸的生產工藝流程為：下料→調質處理→粗車→精磨軸承位→銑鍵槽等。斷裂水泥選粉機42CrMoA鋼軸斷口宏觀形貌如圖1所示。 

圖  1  斷裂水泥選粉機42CrMoA鋼軸斷口宏觀形貌

由圖1可知：斷口呈典型疲勞斷裂特征,有明顯分層現象,分別為疲勞源區、疲勞擴展區、瞬斷區；瞬斷區表面粗糙,可見明顯的放射狀撕裂棱；斷裂起源于軸的表面,裂紋起源處存在較多的臺階,說明裂紋并非起源于一處而是起源于多處；貝紋線間距較大,且在裂紋擴展區可以觀察到縱向的撕裂紋；瞬斷區面積較大,約占斷裂橫截面積的40%。 

1.2   化學成分分析

在水泥選粉機42CrMoA鋼軸上未斷裂部分截取試樣,采用等離子發射光譜儀對其進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：其化學成分符合GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》對42CrMoA鋼的要求。 

1.3   力學性能測試

用線切割法在斷口附近切取某一截面,采用布氏硬度計對其進行硬度測試(試驗載荷為1 840 N,保載時間為10 s)。為了保證測試結果準確可靠,測試3個點,測試結果分別為255,257,256 HBW。由測試結果可知：42CrMoA鋼軸橫截面硬度較均勻。 

采用機械加工方法在水泥選粉機42CrMoA鋼軸未斷裂處截取拉伸試樣,采用電－液伺服萬能試驗機對其進行室溫拉伸試驗,結果如表2所示。由表2可知：斷裂軸材料的屈服強度、抗拉強度均低于GB/T 3077—2015對42CrMoA鋼的要求。由于軸直徑較大,采用油冷工藝對其進行調質處理的效果不好,因此出現調質后力學性能較低的現象。 

采用機械加工方法在水泥選粉機42CrMoA鋼軸未斷裂處截取3個沖擊試樣,按照沖擊試驗要求,將其加工成規格為(長度×寬度×高度)10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口沖擊試樣,結果如表3所示。由表3可知：斷裂軸的沖擊吸收能量接近GB/T 3077—2015對42CrMoA鋼的要求。 

1.4   金相檢驗

在水泥選粉機軸斷裂處截取金相試樣,使用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣后,將其置于光學顯微鏡下觀察。斷裂軸的顯微組織形貌如圖2所示。由圖2可知：其組織為回火索氏體和條狀或塊狀鐵素體,按GB/T 13320—2007 《鋼質模鍛件 金相組織評級圖及評定方法》評定其調質級別,結果約為4級；軸中顯微組織存在一定帶狀組織偏析,沿該軸軸向排列,在偏析部位可以觀察到較大夾雜物。根據GB/T 13299—1991 《鋼的顯微組織評定方法》,該帶狀組織為3級,帶狀組織不均為,導致該軸力學性能出現各向異性。 

圖  2  斷裂軸的顯微組織形貌

根據GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》對水泥選粉機軸非金屬夾雜物進行評級,水泥選粉機鋼軸中存在較多的非金屬夾雜物(見圖3),主要為A類(硫化物類)和D類夾雜(球狀氧化物類),根據評定標準,將夾雜物評定為A類細系1.5級、A類粗系0.5級及D類1.5級。 

圖  3  斷裂軸中非金屬夾雜物微觀形貌

已有研究表明[2－3],非金屬夾雜物破壞了金屬材料的連續性,在交變扭轉應力的作用下,夾雜物周圍容易產生應力集中,同時夾雜物本身也存在自身開裂的可能性,這是疲勞裂紋源形成的促進因素,能顯著降低服役軸的抗疲勞性能。通常,夾雜物距零件表面越近和夾雜物尺寸越大,抗疲勞性能越差,所以在冶煉軸類零件制造用鋼過程中,應嚴格控制夾雜物的種類和尺寸。 

2.   綜合分析

從宏觀斷口分析可知,送檢水泥選粉機鋼軸斷裂形式為扭轉彎曲疲勞斷裂。斷裂首先發生在夾雜物和帶狀組織缺陷處,然后在扭轉彎曲應力和淬火內應力的共同作用下,裂紋緩慢擴展,不同平面多個裂紋源在擴展過程中產生交匯,在邊緣處形成了臺階狀紋樣。在裂紋的擴展區形成了較寬的“貝紋線”及與裂紋擴展方向呈縱向的撕裂紋。當裂紋擴展到一定程度時,鋼軸無法承受應力作用而發生瞬斷,在邊緣瞬斷區形成了剪切唇。 

斷裂鋼軸的化學成分符合標準要求,由送檢鋼軸的拉伸試驗結果可知,該軸的力學性能比正常42CrMoA鋼調質狀態的力學性能差,這是由于軸本身直徑較大,采用油冷工藝進行調質很難使其達到理想的調質效果,因而出現力學性能較差的現象。由金相檢驗結果可知,原材料中存在較多A類(硫化物)非金屬夾雜物,該類夾雜物的存在降低了軸的抗疲勞性能,該類夾雜物外形較為尖銳,易形成應力集中,從而導致微裂紋,同時硫化物夾雜的存在會使軸的耐腐蝕性能下降,易在表面形成疲勞源,從而縮短其使用壽命。另外,鋼軸具有明顯帶狀組織特征,由于其相鄰帶的顯微組織不同,淬火和回火后不同帶之間容易形成應力集中,且材料的力學性能具有各向異性,使淬火畸變量變大,更易造成淬火開裂,因此應將帶狀組織控制在2級以下[4－7]。由此可知,夾雜物和帶狀組織處易產生應力集中,成為裂紋源,在扭轉載荷和淬火產生的內應力共同作用下,裂紋萌生并擴展到一定程度后形成宏觀裂紋。 

3.   結論與建議

(1) 送檢鋼軸的斷裂形式為扭轉彎曲疲勞斷裂。軸臺階處最先開裂,多個疲勞源交匯擴展,最后軸發生斷裂。 

(2) 送檢鋼軸原材料中存在較多A類(硫化物)非金屬夾雜物和3級帶狀組織,夾雜物和帶狀組織處易形成應力集中,從而萌生裂紋,裂紋進一步擴展導致鋼軸斷裂。 

(3) 送檢鋼軸的尺寸較大,建議優化調質工藝。 

(4) 建議在軸的后續制造和采購過程中,加大對原材料非金屬夾雜物的控制力度。 

(5) 建議在使用過程中加強對設備的保護,防止工作環境出現異常的扭轉彎曲應力。 

(6) 建議在調質工藝前對材料進行正火熱處理,以充分消除帶狀組織。 

文章來源——材料與測試網