石料圓錐破碎機主軸斷裂原因

陳 亮, 徐浩杰, 劉 麗, 姚 良

(蘇州邁拓金屬檢測服務有限公司, 蘇州 215126)

某石料圓錐破碎機的主軸在使用半年后發生早期斷裂(見圖1)。該斷裂主軸的材料為42CrMo鋼，硬度為220～250 HB，淬火溫度為840 ℃，淬水過油，回火溫度為660 ℃。斷裂發生在主軸的最大直徑處；主軸和錐體芯(材料為ZG270-500鑄鋼)是相互固定不動的；斷裂發生在主軸和錐體芯相互嵌套的內部區域。從破碎機的工作原理可以看出，主軸和錐體芯會在工作過程中產生較大的交變應力。為了查明主軸斷裂的原因，筆者對主軸進行了一系列的理化檢驗和分析。

圖1 某石料圓錐破碎機斷裂主軸宏觀形貌

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

斷裂主軸整體未發現明顯的塑性變形(見圖2)，斷口可分為3個區域：裂紋源區、裂紋擴展區和最終斷裂區。斷口上有明顯貝殼狀條紋，具有典型疲勞斷口特征。在斷口表面發現有4處疲勞裂紋源(簡稱疲勞源)，從源區所占的面積及貝殼狀條紋的分布形態來看，其中一個為主裂紋源，其他3個為次疲勞源。在主裂紋源區發現較深且較粗的疲勞臺階，說明主裂紋源為線性裂紋源。從裂紋源、貝殼狀條紋分布形態及瞬斷區面積較小的特征來看，該斷口為低應力單向彎曲疲勞斷口。

圖2 斷口宏觀形貌

在斷口附近的外圓表面上發現大量的小麻坑和變形，在部分外圓表面上發現周向裂紋，該外圓表面符合微動磨損的表面特征；在主裂紋源處斷口下方的外圓表面上，發現疑似異金屬黏附，這可能是黏著磨損造成的(見圖3)。

圖3 斷口附近外圓表面宏觀形貌

1.2 化學成分分析

在主軸的1/3半徑處取樣，依據標準GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法(常規法)》，使用型號為MAXx LMM14的光譜儀進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知，斷軸的化學成分符合GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》對42CrMo特級優質鋼的化學成分技術要求。

表1 斷軸的化學成分 %

1.3 非金屬夾雜物評定

依據標準GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》，分別在主軸1/3半徑處和近表面取樣，采用DMI3000M型金相顯微鏡分析測試，結果如表2和圖4所示。由表2可知，在試樣中僅發現輕微的D類細系夾雜物，符合GB/T 3077—2015標準對特級優質鋼的非金屬夾雜物技術要求，材料純凈度較高。

圖4 主軸1/3半徑處和近表面非金屬夾雜物形貌

表2 非金屬夾雜物含量測定結果 級

1.4 低倍組織檢驗

依據標準GB/T 226—2015 《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》，對主軸橫截面進行低倍檢驗，然后依據標準GB/T 1979—2001 《結構鋼低倍組織缺陷評級圖》進行評定，結果如表3和圖5所示。低倍組織測試結果符合標準GB/T 3077—2015對特級優質鋼的低倍組織的技術要求。

圖5 主軸橫截面形貌(低倍)

表3 主軸橫截面低倍組織評定結果 級

1.5 拉伸試驗

依據標準JB/T 5000.8—2007 《重型機械通用技術條件 鍛件》，在主軸1/3半徑處縱向取樣，依據標準GB/T 228.1—2010 《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》使用CMT5305型電子萬能材料試驗機進行拉伸試驗，結果如表4所示。拉伸試驗結果符合標準JB/T 6988—2015 《彈簧圓錐破碎機》對主軸力學性能的技術要求。

表4 主軸1/3半徑處試樣拉伸試驗結果

1.6 沖擊試驗

依據標準JB/T 5000.8—2007 《重型機械通用技術條件 鍛件》，在主軸1/3半徑處縱向取樣，依據GB/T 229—2007 《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，使用ZBC2452-3型金屬擺錘沖擊試驗機進行沖擊試驗，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。沖擊試驗結果不符合JB/T 6988—2015 《彈簧圓錐破碎機》對主軸力學性能的技術要求。

1.7 硬度試驗

參考JB/T 5000.8—2007標準，在主軸1/3半徑處取樣，依據標準GB/T 231.1—2018 《金屬材料布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》使用數顯布氏硬度計(型號為320HBS-3000)進行硬度試驗，結果符合客戶提供的硬度技術要求。

1.8 平均晶粒度評定

依據標準GB/T 6394—2017 《金屬平均晶粒度測定方法》，分別在主軸1/3半徑和近表面處取樣，采用金相顯微鏡(型號為DMI3000M)進行分析檢測，平均奧氏體晶粒度均為8.0級(見圖6)。結果符合標準GB/T 3077—2015對特級優質鋼的平均晶粒度技術要求。

圖6 主軸1/3半徑處及近表面處的顯微組織形貌

1.9 金相試驗

依據標準GB/T 13298—2015 《金相顯微組織檢驗方法》，采用金相顯微鏡(型號為DMI3000M)觀察分析。觀察斷口附近外圓表面拋光后的微觀形貌，發現很多周向裂紋和大小不一、形態各異的凹坑(見圖7)。

圖7 斷口附近外圓表面拋光后微觀形貌

在主疲勞源處縱向取樣，在外圓表面發現徑向微裂紋和凹坑，這些裂紋由外表面向內部擴展[見圖8a)]；腐蝕后，在部分外圓表面、凹坑和裂紋附近表面發現纖維狀組織，是表面發生塑性變形造成的[見圖8b)]。

圖8 主裂紋源處拋光及腐蝕后微觀形貌

在圖3中疑似異金屬黏附處縱向取樣，截面上部發現有一層不同于基體顯微組織的“白層”，該白層靠近基體處為白亮色，往外則為纖維狀變形組織(見圖9)。在該白亮層和其附近基體處進行顯微硬度試驗，發現白亮層的硬度要明顯高于基體的硬度，白亮層的顯微硬度為550 HV，纖維狀組織區域的顯微硬度為430 HV，基體的顯微硬度為248 HV，說明該白亮層的顯微組織為二次淬火馬氏體，往外的纖維狀組織為經持續磨損后的再回火組織。

圖9 異金屬黏附處拋光后及腐蝕后顯微形貌

在主軸1/3半徑處取樣進行顯微組織觀察，該位置的顯微組織為貝氏體+珠光體+少量鐵素體+少量回火索氏體(見圖10)。

圖10 主軸1/3半徑處顯微組織形貌

1.10 掃描電鏡形貌分析和能譜分析

在斷口的主疲勞源區、主裂紋擴展區和最終斷裂區取樣，將試樣在無水乙醇中進行超聲波清洗，然后使用掃描電子顯微鏡(型號為S-3400N)進行微觀斷口分析。在主疲勞源區可以觀察到從疲勞源區表面向內部延伸的應力臺階，在主裂紋擴展區可以觀察到疲勞裂紋，在最終斷裂區可以觀察到同時具有河流花樣、舌狀花樣的解理斷口形態特征和韌窩、撕裂棱等韌性斷口形態特征的準解理斷口形貌特征(見圖11)。

圖11 斷口主疲勞源區、主裂紋擴展區和最終斷裂區的微觀形貌

對外圓表面的嵌入物和磨損處進行能譜(EDS)分析，發現鈣、鎂、硅等不同于金屬基體化學成分的元素(見表5和圖12)。對疑似異金屬黏附處進行EDS分析，發現白亮層不含鉻元素，與基體材料明顯不一致(見圖13)。

圖12 外圓表面嵌入物能譜分析區域及能譜

圖13 斷裂主軸基體和白亮層能譜分析區域及能譜

表5 外圓表面嵌入物和磨損處能譜分析結果 %

2 綜合分析

經過分析，斷裂主軸的化學成分、非金屬夾雜物和橫截面低倍組織均符合標準GB/T 3077—2015中42CrMo特級優質鋼的相關技術要求，說明原材料無冶金缺陷。

試樣的拉伸試驗結果符合JB/T 6988—2015中對主軸拉伸的技術要求，硬度結果符合客戶提供的規范要求，但沖擊結果低于標準JB/T 6988—2015中對主軸沖擊性能的技術要求。可能與該位置未淬透，顯微組織為貝氏體+珠光體+少量鐵素體有關。外圓表面和主軸1/3半徑處的晶粒度均符合GB/T 3077—2015標準中對42CrMo特級優質鋼的技術要求，說明熱處理過程中未出現過熱等異常狀況。

從宏觀斷口分析可知，該斷口為低負荷單向彎曲疲勞斷口，疲勞源位于斷軸外圓表面，然后向另一側擴展直至失穩斷裂。在斷口上發現多個疲勞源，其中一個為主疲勞源，其他為次疲勞源。在破碎機運行過程中，主疲勞源引起裂紋持續擴展直至斷裂。

對外圓周面進行宏觀觀察，發現大量的小麻坑，以及在部分外圓表面上發現了周向裂紋；金相檢驗時發現了大量的周向微裂紋和凹坑，以及由于塑性變形而產生的纖維狀組織[1-2]。

在斷口主疲勞源處下方的外圓表面上，宏觀觀察可見疑似異金屬黏附，從能譜分析結果來看，外圓表面嵌入物中不含鉻元素，與基體材料42CrMo鋼明顯不一致，可能為錐體芯中的金屬黏附在主軸上，符合黏著磨損特征[1]；該區域的顯微組織表現為淬火馬氏體和變形纖維狀組織，為受到摩擦磨損時形成的[3]。

能譜分析顯示，外圓表面凹坑內的嵌入物中含有鈣、鎂、硅等金屬基體不含的化學元素，這些元素主要來自于石料破碎環境中的粉塵或灰塵[4]，這些灰塵進入到軸和錐體芯，隨著磨損進行會形成化合物硬顆粒，從而導致軸和錐體芯間產生磨料磨損[1]。

主軸和錐體芯兩者之間在宏觀上表現為靜止不動，但當裝置長期持續運行時，主軸會受到非常復雜的交變應力作用，如果主軸和錐體芯之間產生微小振動或滑動，就會在主軸和錐體芯配合處出現微動磨損和配合面松動。主軸和錐體芯之間載荷較大且有微動時，就容易發生黏著磨損。石料破碎機的工作壞境充斥著粉塵和灰塵，這些物質在主軸和錐體芯產生相對運動時，會進入其間，從而產生磨粒磨損。這些磨損均可能使主軸外圓表面產生微裂紋[4]。

3 結語

主軸斷裂原因是主軸和錐體芯之間在破碎機運行過程中產生磨損，于主軸外圓周表面磨損處產生了微裂紋，從而形成了疲勞源,在循環載荷作用下發生裂紋擴展導致疲勞斷裂。