采煤機高強螺柱斷裂失效分析

蘇樂

西安重裝蒲白煤礦機械有限公司 陜西蒲城 715517

1 序言

高強螺柱是緊固采煤機連接架及搖臂耳座的零件，承受較大的拉應力；螺柱材料牌號為40CrNiMoA，規格為M64×823mm。在采煤機搖臂安裝過程中，嚴格按照安裝工藝對高強螺柱進行扭矩扳手打壓時，第七根高強螺柱突然發生斷裂，為了分析斷裂原因，避免再次斷裂，筆者對斷裂螺柱進行了理化分析。

2 理化檢測

2.1 宏觀檢測

對斷裂螺柱進行宏觀斷口分析，斷口平齊并與軸向垂直，斷裂位置位于中段非螺紋處，螺栓外圓表面粗糙度值為6.3μm，符合圖樣要求，如圖1所示。其周圍沒有明顯的宏觀塑性變形，如圖2所示。

圖1 螺柱斷裂部分宏觀形貌

圖2 螺柱斷口宏觀形貌

從斷口顏色上看，共分為兩部分，即約90%銀灰色區域和10%的黑褐色區域。其中銀灰色區域具有明顯的金屬光澤，其上可見明顯的放射狀條紋和撕裂棱，二者的存在表明該處斷裂是迅速進行的，即最終斷裂區。黑褐色區域為放射狀條紋和撕裂棱的匯聚區域，徑向深約10mm，該區域為裂源區，且位于外圓表面處，對斷裂源區進行放大觀察，可見細小的放射狀條紋和凹陷臺階，并呈一定的方向性。以上檢測結果表明，螺柱的斷裂符合宏觀脆性斷裂特征[1]。

2.2 成分化驗

在某礦返回已斷裂螺柱上取樣化驗，結果見表1，據G B/T 3077—2015判定螺柱材質為40CrNiMoA，符合技術要求。

表1 螺柱化學成分化驗結果（質量分數） （%）

2.3 力學性能

依據GB/T 2975—2018及GB/T 3098.1—2010對礦返已斷裂螺柱切取兩根縱向拉伸試樣，按照GB/T 228.1—2010、GB/T 229—2007檢測，結果見表2。由表2可見，已斷裂螺柱力學性能符合GB/T 3098.1—2010對12.9級螺柱的要求。

表2 斷裂高強螺柱力學性能檢測結果

2.4 金相檢驗

從某礦返螺柱斷裂源處取樣，按照G B/T 13299—1991、GB/T 10561—2005、GB/T 3098.1—2010進行金相檢測，如圖3～圖6所示。由圖3可看出，螺柱外圓表面存在1.0mm增碳層，斷裂源區未發現冶金缺陷，在斷裂面的附近發現橫向裂紋，深約2.5mm，主裂紋與橫向裂紋均起裂于外圓滲碳層表面，裂紋呈穿晶及沿晶混合擴展，裂紋擴展區未發現增碳與脫碳層。斷裂源螺栓表面發現未發生再回復結晶的冷擠壓變形痕跡，螺柱心部組織為回火屈氏體，縱向帶狀組織評為3級，非金屬夾雜評為A0.5、B0.5級。

圖3 斷裂源區微觀形貌

圖4 擴展區微觀形貌

圖5 次生裂紋

圖6 縱向帶狀組織

2.5 硬度檢測

按照GB/T 230.1—2018、GB/T 4340.1—2009及GB/T 3098.1—2010對螺柱表面、心部分別進行硬度檢測，結果見表3。由表3可知，螺柱表面硬度不符合GB/T 3098.1—2010要求。

表3 螺柱硬度檢測結果

2.6 滲透檢測

對同批的庫存剩余23件螺栓進行滲透檢測，發現6根均在調直彎曲處分布著兩個沿圓周的橫向裂紋，如圖7所示。裂紋分布與礦返螺栓斷裂位置一致，裂紋表面有擠壓的痕跡，如圖8所示。

圖7 庫存同批螺栓裂紋分布位置

圖8 螺栓周向裂紋表面擠壓痕跡

3 分析討論

螺柱安裝在正常打壓過程中發生脆性斷裂，經理化檢測分析，螺栓的材質及力學性能均符合GB/T 3098.1—2010對12.9級螺柱的要求。螺柱外圓表面存在1.0mm的滲碳層，外圓表面硬度為51.0HRC，距表面0.08mm處的硬度為569HV0.3，均不符合GB/T 3098.1—2010要求。據GB/T 3098.1—2010要求，由于螺柱表面的滲碳層增加了表面硬度，能造成脆斷或降低抗疲勞性，所以螺柱的表面滲碳層是有害的[2]。

螺栓加工工藝路線為：下料→鍛造→正火+回火→粗車→車螺紋→淬火+回火→調直→發黑。螺栓的裂紋源產生于安裝過程之前，且裂紋兩邊未發現增碳與脫碳層。由此可見，螺栓裂紋產生于淬火冷卻過程或調直過程中，對于φ64mm細長桿件的40CrNiMoA螺栓淬火時均已淬透，按熱處理原理分析，此類桿件只會發生縱裂[3]，斷裂源螺栓表面發現未發生再回復結晶的冷擠壓變形痕跡，且螺栓上的兩個橫向主裂紋源處恰在調直受彎曲的位置。由此可見，螺栓的裂紋產生于調直過程中。

4 結束語

礦返螺柱為脆性斷裂形式，斷裂源產生于淬火后的調直工序中，經理化分析，螺柱斷裂是由表面增碳及不合理的調直工藝造成的，建議調整螺柱加工工序為：下料→鍛造→正火+回火→粗車→淬火+回火→合金成形刀具車削螺紋→發黑。這樣，便可避免螺柱熱處理變形，取消調質工序，防止螺柱產生裂紋。