水泥选粉机40CrMoA钢轴断裂原因

王红亮, 彭超峰

(1.湖南有色金属职业技术学院, 株洲 412006; 2.湖南省分析测试中心有限公司, 长沙 410129)

轴是水泥选粉机动力传动机构的重要组成部分,其作用是把高速电机的动力传输到撒料盘上,轴在工作过程中主要受扭转和剪切力的作用[1]。某公司送检的水泥选粉机型号为XR3400,工作环境为气候潮湿的小风力场,其主轴在工作10 d左右发生断裂,存在安全隐患。笔者采用一系列理化检验方法对该水泥选粉机42CrMoA钢轴断裂原因进行分析,以防止该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

断裂的水泥选粉机42CrMoA钢轴的生产工艺流程为:下料→调质处理→粗车→精磨轴承位→铣键槽等。断裂水泥选粉机42CrMoA钢轴断口宏观形貌如图1所示。由图1可知:断口呈典型疲劳断裂特征,有明显分层现象,分别为疲劳源区、疲劳扩展区、瞬断区;瞬断区表面粗糙,可见明显的放射状撕裂棱;断裂起源于轴的表面,裂纹起源处存在较多的台阶,说明裂纹并非起源于一处而是起源于多处;贝纹线间距较大,且在裂纹扩展区可以观察到纵向的撕裂纹;瞬断区面积较大,约占断裂横截面积的40%。

图1 断裂水泥选粉机42CrMoA钢轴断口宏观形貌

1.2 化学成分分析

在水泥选粉机42CrMoA钢轴上未断裂部分截取试样,采用等离子发射光谱仪对其进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知:其化学成分符合GB/T 3077—2015 《合金结构钢》对42CrMoA钢的要求。

表1 水泥选粉机42CrMoA钢轴的化学成分分析结果 %

1.3 力学性能测试

用线切割法在断口附近切取某一截面,采用布氏硬度计对其进行硬度测试(试验载荷为1 840 N,保载时间为10 s)。为了保证测试结果准确可靠,测试3个点,测试结果分别为255,257,256 HBW。由测试结果可知:42CrMoA钢轴横截面硬度较均匀。

采用机械加工方法在水泥选粉机42CrMoA钢轴未断裂处截取拉伸试样,采用电-液伺服万能试验机对其进行室温拉伸试验,结果如表2所示。由表2可知:断裂轴材料的屈服强度、抗拉强度均低于GB/T 3077—2015对42CrMoA钢的要求。由于轴直径较大,采用油冷工艺对其进行调质处理的效果不好,因此出现调质后力学性能较低的现象。

图2 断裂轴的显微组织形貌

表2 42CrMoA钢轴的室温拉伸试验结果

采用机械加工方法在水泥选粉机42CrMoA钢轴未断裂处截取3个冲击试样,按照冲击试验要求,将其加工成规格为(长度×宽度×高度)10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口冲击试样,结果如表3所示。由表3可知:断裂轴的冲击吸收能量接近GB/T 3077—2015对42CrMoA钢的要求。

表3 断裂轴的冲击试验结果 J

1.4 金相检验

在水泥选粉机轴断裂处截取金相试样,使用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀试样后, 将其置于光学显微镜下观察。断裂轴的显微组织形貌如图2所示。由图2可知:其组织为回火索氏体和条状或块状铁素体,按GB/T 13320—2007 《钢质模锻件 金相组织评级图及评定方法》评定其调质级别,结果约为4级;轴中显微组织存在一定带状组织偏析,沿该轴轴向排列,在偏析部位可以观察到较大夹杂物。根据GB/T 13299—1991 《钢的显微组织评定方法》,该带状组织为3级,带状组织不均为,导致该轴力学性能出现各向异性。

根据GB/T 10561—2005 《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》对水泥选粉机轴非金属夹杂物进行评级,水泥选粉机钢轴中存在较多的非金属夹杂物(见图3),主要为A类(硫化物类)和D类夹杂(球状氧化物类),根据评定标准,将夹杂物评定为A类细系1.5级、A类粗系0.5级及D类1.5级。

图3 断裂轴中非金属夹杂物微观形貌

已有研究表明[2-3],非金属夹杂物破坏了金属材料的连续性,在交变扭转应力的作用下,夹杂物周围容易产生应力集中,同时夹杂物本身也存在自身开裂的可能性,这是疲劳裂纹源形成的促进因素,能显著降低服役轴的抗疲劳性能。通常,夹杂物距零件表面越近和夹杂物尺寸越大,抗疲劳性能越差,所以在冶炼轴类零件制造用钢过程中,应严格控制夹杂物的种类和尺寸。

2 综合分析

从宏观断口分析可知,送检水泥选粉机钢轴断裂形式为扭转弯曲疲劳断裂。断裂首先发生在夹杂物和带状组织缺陷处,然后在扭转弯曲应力和淬火内应力的共同作用下,裂纹缓慢扩展,不同平面多个裂纹源在扩展过程中产生交汇,在边缘处形成了台阶状纹样。在裂纹的扩展区形成了较宽的“贝纹线”及与裂纹扩展方向呈纵向的撕裂纹。当裂纹扩展到一定程度时,钢轴无法承受应力作用而发生瞬断,在边缘瞬断区形成了剪切唇。

断裂钢轴的化学成分符合标准要求,由送检钢轴的拉伸试验结果可知,该轴的力学性能比正常42CrMoA钢调质状态的力学性能差,这是由于轴本身直径较大,采用油冷工艺进行调质很难使其达到理想的调质效果,因而出现力学性能较差的现象。由金相检验结果可知,原材料中存在较多A类(硫化物)非金属夹杂物,该类夹杂物的存在降低了轴的抗疲劳性能,该类夹杂物外形较为尖锐,易形成应力集中,从而导致微裂纹,同时硫化物夹杂的存在会使轴的耐腐蚀性能下降,易在表面形成疲劳源,从而缩短其使用寿命。另外,钢轴具有明显带状组织特征,由于其相邻带的显微组织不同,淬火和回火后不同带之间容易形成应力集中,且材料的力学性能具有各向异性,使淬火畸变量变大,更易造成淬火开裂,因此应将带状组织控制在2级以下[4-7]。由此可知,夹杂物和带状组织处易产生应力集中,成为裂纹源,在扭转载荷和淬火产生的内应力共同作用下,裂纹萌生并扩展到一定程度后形成宏观裂纹。

3 结论与建议

(1) 送检钢轴的断裂形式为扭转弯曲疲劳断裂。轴台阶处最先开裂,多个疲劳源交汇扩展,最后轴发生断裂。

(2) 送检钢轴原材料中存在较多A类(硫化物)非金属夹杂物和3级带状组织,夹杂物和带状组织处易形成应力集中,从而萌生裂纹,裂纹进一步扩展导致钢轴断裂。

(3) 送检钢轴的尺寸较大,建议优化调质工艺。

(4) 建议在轴的后续制造和采购过程中,加大对原材料非金属夹杂物的控制力度。

(5) 建议在使用过程中加强对设备的保护,防止工作环境出现异常的扭转弯曲应力。

(6) 建议在调质工艺前对材料进行正火热处理,以充分消除带状组织。