火炬回收機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸斷裂分析

王海平 蘇婷婷 馬小強(qiáng) 楊海軍

(天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司)

某石化公司火炬回收機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸在運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)突然增大，隨后電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，檢查發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸伸端已經(jīng)斷裂，電動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子有輕微掃膛的痕跡。檢查運(yùn)行記錄發(fā)現(xiàn)，一年前由于該軸的磨損比較嚴(yán)重，出現(xiàn)軸承跑套故障，在維修過程中，對(duì)軸的磨損部位進(jìn)行堆焊處理。類似磨損事故已經(jīng)連續(xù)發(fā)生多次。筆者對(duì)轉(zhuǎn)子軸斷裂部位和未斷裂部位分別取樣分析，探討了該軸斷裂的原因，同時(shí)為防止此類故障的發(fā)生提出了建議。

1 轉(zhuǎn)子軸運(yùn)行工況介紹

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸材料為40Cr鋼，非軸伸端規(guī)格為φ150 mm×1500mm，軸伸端規(guī)格為φ100 mm×500mm。主要技術(shù)參數(shù)為：

型號(hào) YAKK 4501- 2

功率 450kW

額定電壓 6kV

額定電流 53.6A

額定轉(zhuǎn)速 2 980r/min

2 試驗(yàn)分析

2.1宏觀檢查

圖1為轉(zhuǎn)子軸斷口宏觀形貌，可以看出斷口灰暗，粗糙不平，裂紋源起始于軸表面，并沿周向擴(kuò)展，斷裂區(qū)有明顯的塑性變形。

圖1 斷口宏觀形貌

2.2化學(xué)成分分析

材料化學(xué)成分的波動(dòng)，尤其是構(gòu)成材料的主要化學(xué)元素的含量對(duì)材料熱處理的性能會(huì)產(chǎn)生顯著的影響[1]。采用SPECTROLAB直讀光譜儀對(duì)斷裂軸材料進(jìn)行了化學(xué)分析，結(jié)果見表1。可以看出，斷裂軸的化學(xué)成分符合GB/T 3077- 1999對(duì)40Cr鋼的要求。

2.3力學(xué)性能檢驗(yàn)

表1 化學(xué)成分

在軸完好部位1/2半徑處取樣進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見表2。可以看出，強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)值，且沖擊吸收功非常低，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。1/2半徑處布氏硬度為210～215HB，堆焊區(qū)的布氏硬度范圍為199～233HB，GB/T 3077- 1999標(biāo)準(zhǔn)要求布氏硬度不大于207HB，硬度基本符合要求。綜合力學(xué)性能可知該軸強(qiáng)度不符合技術(shù)要求，韌性差、缺口敏感度高。

表2 力學(xué)性能

2.4金相檢驗(yàn)

在離斷裂部位10mm處取樣進(jìn)行微觀組織觀察，取樣位置如圖2所示。可以看出有明顯的堆焊層，斷口附近徑向截面堆焊層金相組織為鐵素體+珠光體+魏氏體，如圖3所示，分析表明堆焊層內(nèi)部存在多處層間未熔合，并伴有大量魏氏體組織，從而降低了堆焊層的力學(xué)性能和使用性能。

圖2 金相取樣位置

圖3 堆焊層金相組織

宏觀檢查完好部位徑向截面邊緣處組織和1/2半徑處組織均為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體，如圖4、5所示，屬典型的正火組織，晶粒度5～7級(jí)，但組織不均勻，并伴有微裂紋存在。而標(biāo)準(zhǔn)要求40Cr鋼做軸類零件應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，正常的組織為回火索氏體。軸原材料夾雜物形貌如圖6所示，根據(jù)GB/T 10561- 2005，夾雜物級(jí)別分別為A類3.0級(jí)，B類1.0級(jí)，C類1.5級(jí)，D類2.0級(jí)和DS類0級(jí)。

圖4 軸完好部位徑向截面邊緣處金相組織

圖5 軸完好部位徑向截面1/2半徑處金相組織

圖6 非金屬夾雜物 ×100

2.5斷口掃描電鏡與能譜分析

采用JSM- 6510掃描電鏡對(duì)斷口斷裂源區(qū)進(jìn)行微觀形貌觀察，如圖7所示。

由圖7a可以看出邊緣堆焊區(qū)域與基體存在明顯分層現(xiàn)象，有較多的夾雜物存在，表明堆焊工藝不合理。由圖7b可以看出斷口存在大量疲勞紋，局部區(qū)域存在因高溫和扭曲形成的熔化形貌。由圖7c、d可以看出典型的撕裂區(qū)，存在大量韌窩。

圖7 斷口形貌

對(duì)斷口處白色區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示O、Al、S含量很高，表明夾雜物為氧化物和硫化物。

3 討論

40Cr 鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，具有良好的綜合力學(xué)性能和低溫沖擊韌性、較低的缺口敏感性以及淬透性良好等優(yōu)點(diǎn)[2]。如果鍛造和軋制工藝控制不當(dāng)，毛坯中往往會(huì)存在成分偏析、原始組織晶粒粗大以及內(nèi)部組織分布不合理等冶金與組織缺陷[3]。如果熱處理工藝選擇不合理，這些不良組織就會(huì)存在于軸的內(nèi)部，降低材料的使用性能，縮短軸的服役壽命。

根據(jù)以上檢驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)定該軸的最終熱處理不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致其組織異常，力學(xué)性能不合格，又由于原材料存在大量夾雜物，最終導(dǎo)致了使用過程中磨損非常嚴(yán)重。堆焊處理后，由于堆焊工藝不合理，現(xiàn)場(chǎng)維修條件限制，時(shí)間緊迫，不能進(jìn)行焊后熱處理，導(dǎo)致堆焊后缺陷較多，這些缺陷處的應(yīng)力集中非常高，在應(yīng)力作用下裂紋向內(nèi)部快速擴(kuò)展，導(dǎo)致了軸的斷裂。

4 結(jié)論與建議

4.1原材料存在大量夾雜物，并伴有微裂紋存在，組織中存在網(wǎng)狀鐵素體，由于熱處理工藝不當(dāng)，力學(xué)性能不合格。

4.2軸表面修復(fù)時(shí)堆焊層的焊接工藝不合理，線能量過大，導(dǎo)致焊接部位出現(xiàn)層間未熔合和大量魏氏體組織。

4.3建議加強(qiáng)原材料的控制和性能檢測(cè)，定期檢查電動(dòng)機(jī)振動(dòng)情況。

4.4建議電機(jī)檢維修過程中優(yōu)化焊接工藝、安裝過程中提高裝配精度可避免焊接缺陷的產(chǎn)生。

[1] 閻光宗，徐雪霞，孫澎.40Cr鋼磨煤機(jī)軸斷裂失效分析[J].金屬熱處理，2011，36(9)：104～105.

[2] 曾正明．機(jī)械工程材料手冊(cè)[M]．北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2005: 174．

[3] 盧銀德，楚堂明，朱萬山．工業(yè)泵曲軸斷裂原因分析與工藝改進(jìn)[J]．金屬熱處理，2008，33(6):105～106．