煉膠機輥筒斷裂分析

摘 要：本文主要介紹天津某公司使用的Ф400×1000開放式煉膠機，安裝服役約9個月后，運轉中發現冷卻水滲出，檢修時發現輥筒輥頸根部開裂，拆卸后分離。為找出該工件在工作中發生輥筒輥頸根部開裂的原因，到該公司生產現場了解該工件使用環境，截取斷裂的輥頸，進行化學成分、宏觀觀察、低倍觀察、硬度、拉伸、微觀組織及能譜等實驗，將測試結果對比標準中規定的要求數值，綜合產品加工工藝進行分析，發現失效輥筒承受著對稱旋轉彎曲載荷的作用，在應力集中條件下，自退刀圓弧處早期生成疲勞裂紋，造成疲勞裂紋源的主要原因是輥筒的化學成分不合格、鑄造工藝不良至使輥筒的內部組織結構和力學性能均未達到設計要求。且機加工退刀圓弧處加工較差，表面粗糙并有明顯的刀痕，工作時，在應力集中處，首先產生微裂紋，由于各種應力的長時間作用，使其產生疲勞加速裂紋的擴展以至開裂。

關鍵詞：根部開裂；化學成分不合格；鑄造工藝不良

1 項目背景說明

天津市某某橡膠工業有限公司使用的Ф400×1000開放式煉膠機安裝服役約9個月后，運轉中發現冷卻水滲出，檢修時發現輥筒輥頸根部開裂，拆卸后分離。如圖1所示。該公司要求對煉膠機輥筒的斷裂原因進行失效分析。

輥筒是煉膠機中要求較嚴格的主要部件，工作時承受著交變彎曲應力、扭轉應力及沖出載荷，表面要求有一定的耐磨性，材料為冷硬鑄鐵，在我國的化工行業標準中（HG/T 3108-1998），對輥筒材料的化學成分、機械性能、表面冷硬層深度以及表面硬度和內部的組織結構都有明確的技術要求和嚴格的質量控制。

2 宏觀觀察

將已斷裂的輥頸上的軸承退出，對斷口觀察后發現斷口為脆性斷裂，約30%左右已銹蝕，其余灰色斷口部分為快速斷裂區，斷口較粗糙。斷裂方向自裂紋源與軸向呈45°角。由于拆卸不慎，斷口上有磕碰痕跡。輥頸根部退刀圓弧加工粗糙，有明顯的刀痕和毛刺。

3 化學成分分析

對輥筒的材質進行化學成分分析，結果為C：3.09%，Si：0.87%，Mn：0.10%，P：0.71%，S：0.082%。

4 低倍觀察

自輥頸端部40mm處橫向切取試樣，磨光后經4%硝酸酒精溶液浸蝕，觀察整體剖面。觀察結果為：①距內孔邊緣有大面積縮孔存在，縮孔較深而密集；②輥頸表面未顯出硬化層及過渡區；③輥頸剖面上彌散分布著肉眼可見的石墨孔。

5 硬度檢測

將上述低倍觀察后的試樣自剖面邊緣向內逐點測試硬度（HBW 5/750），測試為第一點205，第二點204，第三點207，第四點202，平均值204。

6 機械性能

自輥頸上縱向切取拉伸試樣，按HG/T 3118-1998標準進行測試，抗拉強度（灰口部分）為166N/mm2。

7 微觀組織及能譜分析

7.1 微觀組織觀察

自斷口處由外向內切取金相試樣，經4%硝酸酒精溶液腐蝕后逐層進行觀察分析，其結果為：①輥頸表面未發現白口區；②金相組織為片狀珠光體+A型石墨+磷共晶+碳化物，石墨片較粗，有的呈卷曲狀，晶界上有較多的磷共晶及碳化物呈斷續網狀分布，并存在較多的晶間孔洞。

7.2 微觀能譜分析

8 分析與討論

①該輥筒選用材料應為冷硬鑄鐵，對比標準HG/T 3108-1998中要求的化學成分，實測Mn含量低于標準值下限，僅為0.10wt.%，由于含錳量低，使機體組織得不到強化，降低了材料的機械性能，通過拉伸試驗，測得其抗拉強度低于標準要求（180N/mm2）的下限值。而材料中P含量高于標準值，因而增加了材料的冷脆性。

②從斷面形狀觀察，斷口是自表面向內延伸。輥筒使用過程中，承受著較大的扭轉應力，因而裂紋是自裂紋源與軸向呈45°角的方向延展，遇阻后改變了方向。

③觀察斷口形貌，斷口比較粗糙，在灰色斷面上有很多閃光的小亮面和黑色的小斑點，屬脆性解理斷裂特征，黑色小點狀為斷裂沿粗大的石墨片發生而導致在斷口上留下石墨色。

④大量磷化物和碳化物聚集在晶界上，削弱了晶粒間的結合力，使金屬的力學性能顯著降低，在反復交變載荷下，裂紋首先起源于晶界碳化物過剩析出處，然后以沿晶或穿晶形式擴展，碳化物集中的地方沿晶斷裂，晶內較大顆粒碳化物或彌散的碳化物粒子引起顯微空穴聚焦而發生穿晶斷裂。

⑤輥筒輥頸根部加工粗糙，退刀圓弧處留有明顯的刀痕和毛刺，在應力長期作用下很容易滋生微裂紋。

9 結束語

通過以上對失效輥筒的各項測試結果綜合分析判定，該失效輥筒承受著對稱旋轉彎曲載荷的作用，在應力集中條件下，自退刀圓弧處早期生成疲勞裂紋，造成疲勞裂紋源的主要原因是輥筒的化學成分不合格、鑄造工藝不良至使輥筒的內部組織結構和力學性能均未達到設計要求。且機加工退刀圓弧處加工較差，表面粗糙并有明顯的刀痕，工作時，在應力集中處，首先產生微裂紋，由于各種應力的長時間作用，使其產生疲勞加速裂紋的擴展以至開裂。