轉爐氧槍減速機軸斷裂原因分析

苗新亮

摘 要：某廠120噸轉爐氧槍減速機高速軸在使用9年時間左右出現斷裂現象。檢驗分析了斷軸宏觀、微觀形貌、化學成分和金相組織以及硬度等進行了檢驗和分析。經檢測可以看出，疲勞是減速機高速軸斷裂的主要因素，而金相組織存在缺陷和雜質含量高主要是由于熱處理工藝不當造成的，在彎曲旋轉作用力下出現疲勞斷裂現象。

關鍵詞：減速機軸；疲勞；斷裂

前言

120噸轉爐氧槍卷揚減速機為某廠大概提供了9年左右的服務時間開始出現高速軸斷裂。JZQ750型圓柱齒輪減速機的主要特點就是雙輸入、單輸出型式。直徑為60毫米，驅動電機65kW，高速軸為45號鋼鍛件鑄造而成，經過進行調試處理，軸硬度標準為HB228-HB250。而本次實驗從宏觀和微觀形貌、化學成分、金相組織和硬度檢測過程中找出了發生斷裂的重要因素。

1 斷裂軸宏觀觀察

經過對減速機斷裂軸承進行宏觀形貌觀察，在軸表面發現一條寬17毫米，深5毫米的鍵槽，該鍵槽尾部從長方形管過渡到半圓形，而減速機軸的斷裂部位正處于過渡區域，與此同時這個軸在斷裂左面還存在一個錐度，斷裂右邊為圓柱體，而斷裂部分正好位于橫截面出，兩個斷裂面可以進行良好的結合。斷口部分存在著大量鐵銹，經過超聲波清洗之后斷口形貌比較平坦，可明顯看出擦傷痕跡，還可以看到疲勞源、擴展區以及瞬斷區三個區域。從鍵槽底部右側尖角處圓心開始向周圍擴散出細小的貝紋線，由此可以判斷出此處為裂紋主要源頭，并且該部位比較平滑，呈現出細晶狀，并伴有輕微塑性變形跡象。該部位也是鍵槽底部尖角、軸變截面和鍵槽尾部長方形和半圓形的過渡區域，屬于受力疊加比較集中的部位。以疲勞源為中心向四周逐漸推進的細小貝紋線在裂紋擴展區可輕易觀察到，在靠近瞬斷區的貝紋線從密集逐漸變為疏散型，由此可以看出，隨著疲勞裂紋的不斷擴展，裂紋擴展速度在逐漸增加，從而形成了疲勞裂紋加速擴展區。最終由于瞬斷區域面積較小，產生剪切唇，其最初的斷口樣式已經完全被破壞，但是仍然能判斷出其屬于塑性斷裂，由此可以看出該軸承在使用過程中荷載比較低，具備旋轉疲勞斷裂的特點，其屬于低應力高周疲勞斷裂，還可以判斷出該軸在運行過程中處于逆時針方向旋轉。

2 檢驗結果和分析

2.1取樣

對減速機斷裂軸采用線切割方式，分別截取其光譜樣、硬度及低倍樣、拉深樣和金相樣進行檢測和分析。

2.2化學成分分析

利用ARL4460型火花源子發射光譜儀進行光譜分析，分析結果如表1所示。通過檢驗結果可以看出，該減速機軸材質成分符合優質碳素結構鋼的化學成分含量標準。

2.3硬度檢驗及低倍酸洗觀察

減速機軸界面的低倍樣需要通過1：1工業鹽酸水溶液進行熱蝕，經觀察，橫斷面沒有出現明顯的宏觀低倍缺陷，只是存在少量的中心松動，在軸邊緣，需要對其1/4的直徑和中心部位分別進行硬度測試，最終測試結果分別為244、239、248HB，在技術標準所規定的228HB-250HB的要求范圍內，但其結果接近上限。

2.4拉伸力學性能

通過檢驗結果可以看出減速機軸的強度和塑性已經達到了國際GB/T699-1999的要求，但是其延伸率接近最低值，因此具備比較高的屈強性。如表2所示。

2.5金相檢驗

經過對金相樣進行金相檢驗分析，把經過磨制的光片放在顯微鏡下進行觀察。疲勞源、縱向式樣和擴展區、縱向式樣之間夾雜著很多的硫化物和氧化鋁雜質，說明材料冶金質量非常差。通過4%的硝酸酒精腐蝕以后，疲勞源、縱向式樣和擴展區、縱向式樣全部為貝氏體和少量珠光體，并且其組織并不均勻，可明顯看出偏析現象。根據技術支持，可斷定斷裂減速機軸材質為45號鋼材，并且是經過調質處理的，中碳結構鋼中包括45號鋼，以回火索式為主的顯微組織是通過調質處理得到的，而不是貝氏體+少量珠光體，這一現象說明在對該軸進行熱處理工藝過程中操作不當。而偏析區和正常區域的顯微硬度測試表明，正常區域的顯微硬度明顯要低于偏析區。軸表面和心部組織不存在明顯差異，因此可以斷定該軸沒有經過滲碳處理或者是其他方式的表面處理技術，而是直接投入使用。如表2所示。

3 掃描電鏡觀察

掃描電鏡分析主要用于斷口面的疲勞源和擴展區域。疲勞源區域斷口比較平滑，呈現出瓷質狀結構，形成這種現象的主要因素因為疲勞裂紋在這個區域的擴散速度比較慢，然后裂紋在反復張開和閉合的狀態下將斷面打磨平滑，并且在根源區發現了二次裂紋現象。隨著疲勞裂紋的不斷擴散，一系列高低不平的臺階組成了斷口，呈現出貝紋形狀，這可以進一步證明減速機軸斷裂屬于疲勞斷裂。

4 討論分析

經過對該減速機軸材質化學成分進行檢驗分析表明，其符合優質碳素結構鋼GB/T699-1999標準要求。在低倍檢驗過程中沒有發現明顯的宏觀缺陷。根據力學性能及金相組織檢驗結果可以看出，減速機軸硬度和強度符合技術要求但其與標準規定相比，處于偏高狀態。顯微組織以貝氏體+少量珠光體為主，并不是經過調質處理所獲得的回火索式體，而且軸外表面并沒有經過滲碳處理或者是其他表面處理技術，因此可以得出在對該減速機軸進行熱處理過程中工藝不達標，回火索氏體和貝氏體對比而言，回火索氏體的綜合機械性能更強一些。與此同時還可以看出減速機軸材質存在非常多的雜質以及明顯的偏析帶。基體出現割裂現象主要是由于其中含有雜質造成的，還導致應力比較集中，同時偏析帶也非常容易出現組織應力，以此來促進疲勞裂紋快速擴散。減速機軸經過長時間使用主要是根據斷口的宏觀形貌和斷裂部位來判斷，在反復旋轉應力的作用下，產生了裂紋，導致出現了疲勞源，由于鍵槽底部尖角、鍵槽尾部長方形和半圓過渡區域和軸變界面的應力相互疊加而出現了大量應力集中現象，在后期循環載荷作用下微裂紋不斷向軸基體內開始擴散，而促進裂紋進一步擴散的主要原因就是基體中的夾雜物和偏析現象，最終導致減速機軸出現斷裂現象。

結語

經過檢驗結果表明減速機軸中所含化學成分符合國標優質碳素結構鋼GB/T699-1999中45號鋼材的標準。經過對軸橫斷面進行低倍檢驗，沒有發現其存在明顯宏觀缺陷，因此硬度符合技術標準。而該減速機軸屬于低應力高周疲勞斷裂，造成出現疲勞源的主要因素是因為中鍵槽底部在長期使用過程中應力比較集中，而且軸基體中存在很多的雜質和偏析帶以及組織缺陷推動了疲勞裂紋的進一步擴散，最終造成齒輪軸出現疲勞斷裂現象。

參考文獻

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（作者單位：唐鋼第一鋼軋廠）