高速泵主軸斷裂分析

萬怡男

（煙臺大學文經學院機電系，煙臺 264005）

泵軸是機械泵上最容易損壞的零件，其損壞的主要原因是泵軸長時間受集中力影響，會出現裂紋，裂紋繼續蔓延直至軸斷裂。某公司脫硫作業裝置了一臺進口高速泵，由美國著名公司生產，高速泵軸轉速為20600r/min，使用一個月后發生主軸斷裂事故，主軸的材質、加工工藝及裝配工藝均未知，需通過綜合檢驗與分析，明確斷裂的原因。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

來樣外觀形貌如圖1，來樣由A、B、C三部分組成，A為高速泵軸，B為高速泵軸中間部位連接誘導輪螺柱，C為套在高速泵軸上的部件。

斷口形貌如圖2所示，中間部位的斷口為螺柱斷口，環形斷口為高速泵軸的斷口。如圖2所示，斷口表面存在較多的黑褐色覆蓋物，且磨損嚴重。在斷口近外表面9點到1點鐘方向有明顯的臺階特征，該處為裂源部位；斷口3點到6點鐘方向為最后斷裂區，該處斷口與整個斷面成45°斜面。

對來樣進行拆卸，形貌如圖3、圖4所示。可見自軸斷口處向下18mm范圍內存在較為嚴重的環向損傷痕跡，該處大部分已銹蝕呈黃褐色，局部可見有粘附金屬存在，與高速泵軸配合的部件內壁表面也有損傷存在。

圖1 高速泵軸外觀

圖2 斷口形貌

圖3 高速泵軸拆卸后的形貌

圖4 軸外表面形貌

經宏觀分析可知，高速泵軸外壁表面存在較多的損傷特征，斷口裂源部位存在明顯臺階特征。

1.2 化學成分分析

從軸上取樣進行化學成分分析，檢測結果如表1所示

從上述化學成分分析結果可得，泵軸的化學成分符合《標準合金結構鋼》（GB/T 3077-2015）中42CrMo的規定值，所以軸的材質等同為42CrMo。

表1 化學成分分析結果

1.3 金相檢驗

從高速泵軸裂源區沿軸向截取剖面試樣進行微觀金相分析，腐蝕后的樣品形貌如圖5所示。可見樣品剖面存在兩種不同的顏色，根據顏色可將樣品分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區。

按《金屬顯微組織檢驗方法》（GB/T13298-2015）標準重新進行制樣，隨后在光學顯微鏡下觀察。根據《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗方法》（GB/T 10561-2005）標準中的實際檢驗A法和ISO評級圖進行評定，高速泵軸裂源區的非金屬夾雜物級別評為A0.5，B0，C0，D0.5；高速泵軸本體的非金屬夾雜物級別評為A3，B0，C0，D0.5，如圖6、圖7所示。

高速泵外壁裂紋形貌如圖8所示，可見外壁表面存在較多的尖角狀損傷缺口，并且在缺口底部，存在垂直于軸向的裂紋，裂紋類型為穿晶+少量沿晶。

圖5 腐蝕后剖面試樣

高速泵裂源處的顯微組織形貌如圖9所示，斷口表面存在摩擦后的組織形變特征。

圖6 裂源區拋光態圖

圖7 高速泵軸拋光態圖

圖8 外壁裂紋形貌

圖9 裂源區顯微組織

裂源區顯微組織為馬氏體+少量殘余奧氏體；Ⅱ區（過渡區）的顯微組織為馬氏體+索氏體+少量殘余奧氏體；Ⅲ區的顯微組織為回火索氏體+少量鐵素體，如圖10、圖11所示。

圖10 Ⅱ區（過渡區）顯微組織

圖11 Ⅲ區顯微組織

從金相檢驗結果可知，在高速泵軸外壁損傷缺口底部存在較多的垂直于軸向的小裂紋。

1.4 顯微硬度分析

對圖5各區域進行顯微硬度分析，顯微硬度結果如表2所示。

表2 顯微硬度試驗結果

從上述顯微硬度結果可知，外壁損傷部位區域硬度值較高。

1.5 斷口微觀分析

將高速泵軸斷口清洗后置于掃描電子顯微鏡下觀察，裂紋源處形貌如圖12所示，可見裂紋源部位存在較多的開裂臺階及擦傷痕跡，斷口呈多源斷裂特征。放大后的裂源如圖13所示。

圖12 軸斷口裂紋源特征

圖13 軸斷口裂紋源放大特征

擴展區韌窩和少量沿晶特征如圖14所示，同時在斷口擴展區可見覆蓋層特征。

高速泵斷口區域存在較大的擦傷痕跡，最后斷裂區低倍形貌如圖15所示，放大后觀察呈韌窩特征，如圖16所示。

從以上微觀分析可知，高速泵軸裂源處存在較多的臺階特征，為多源斷裂。

2 分析與討論

宏觀檢驗表明高速泵軸斷口裂源部位存在較多開裂臺階特征，斷軸外壁表面存在較多環向損傷，局部粘附金屬，與高速泵軸配合的C部件內壁表面也存在較多的損傷。

圖14 韌窩及沿晶特征

圖15 最后斷裂區低倍形貌

化學成分分析表明高速泵軸的化學成分符合《標準合金結構鋼》（GB/T 3077-2015）中42CrMo的規定值，所以軸的材質等同于42CrMo。

金相檢驗表明高速泵軸外壁表面與C部件配合的部位存在較多的尖角狀缺口，并在缺口底部有垂直于軸向的微小裂紋，裂紋類型為穿晶+少量沿晶特征；軸本體的非金屬夾雜物級別評為A3，B0，C0，D0.5，夾雜物級別較高，軸裂源部位未見有夾雜物異常現象；高速泵軸與C部件配合部位的顯微組織為馬氏體+少量殘余奧氏體；軸本體顯微組織為回火索氏體+少量鐵素體。

顯微硬度測試表明靠近高速泵軸外壁表面部位的硬度較高，約為647HV1.0，軸本體的硬度約為317HV1.0。

由于缺少高速泵軸的制造、加工及裝配工藝信息，所以僅根據所做試驗項目結果對高速泵軸的斷裂原因進行分析，結論如下：

圖16 韌窩特征

（1）高速泵軸在與C部件裝配過程中采用的是熱裝法，熱裝后由于與鋼鐵零件接觸，使得該部位的冷卻速度加快，冷卻后的顯微組織為馬氏體+少量殘余奧氏體，而未加熱和加熱溫度較低的部位則組織變化較小，仍保留軸最終熱處理后的組織特征（回火索氏體+少量鐵素體）。

（2）高速泵軸與C部件裝配過程中由于是過盈配合，所以會造成軸外壁表面局部金屬擠壓變形，當裝配過程中操作不當或者有其他硬質顆粒混入時就會造成軸表面局部損傷，形成缺口，缺口底部即為應力集中源。

（3）高速泵軸運行過程中，裂紋自缺口處起源，不同高度之間的裂紋匯合后形成臺階并繼續向前擴展，直至發生脆性斷裂。

3 結語

本文通過宏觀檢驗與微觀實驗，發現高速泵軸的材料成分及熱處理工藝符合泵軸的制造工藝要求，但在裝配過程中表面形成微劃痕或缺口，導致高速泵運行過程中，缺口應力集中處產生裂紋，并且該部位組織為脆性馬氏體，故導致早期斷裂。建議優化裝配工藝，避免產生微劃痕和缺口。