壓力機(jī)曲軸斷裂原因分析及對策

陳希昌

（山東高密高鍛機(jī)械有限公司，山東 高密 261500）

我公司是生產(chǎn)機(jī)械壓力機(jī)的專業(yè)廠，具有50 多年的壓力機(jī)生產(chǎn)歷史。產(chǎn)品規(guī)格從250kN 到16000kN，計(jì)十幾個(gè)系列、200 多個(gè)品種。傳動系統(tǒng)是機(jī)械壓力機(jī)的重要組成部分，曲軸是傳動系統(tǒng)的主要部件。此前，在用戶處陸續(xù)發(fā)生了5 起1000kN 壓力機(jī)曲軸斷裂事故，在我公司幾十年的壓力機(jī)生產(chǎn)歷史上是從未發(fā)生的。這批發(fā)生曲軸斷裂的壓力機(jī)使用時(shí)間都不足兩年，遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，為早期失效破壞?，F(xiàn)場分析用戶處壓力機(jī)的實(shí)際負(fù)荷、檢查過載保護(hù)裝置的有效性運(yùn)行情況，排除了超載使用造成破壞的可能性。通過查找曲軸的可追溯編號，確認(rèn)這5 件曲軸為同一批毛坯。對此，公司上下非常重視，立即組織了專業(yè)小組，對失效曲軸進(jìn)行分析，以便采取相應(yīng)措施，從根本上杜絕曲軸斷裂失效事故的發(fā)生。

1 失效曲軸檢測

1.1 曲軸的技術(shù)要求和工藝流程

曲軸的形狀和斷裂部位如圖1 所示。材料為45鋼，基體調(diào)質(zhì)要求硬度220～250HB。工藝流程：外購鍛坯→粗加工→熱處理調(diào)質(zhì)→半精加工→熱處理高頻淬火→精加工→裝配。

1.2 曲軸的宏觀斷口形貌

肉眼觀察，所有曲軸斷口呈疲勞裂紋特征。擴(kuò)展區(qū)光滑、貝紋線清晰，而最后斷裂區(qū)表面呈粗糙不平狀態(tài)，特征明顯，為典型疲勞斷裂。

1.3 成分測量

在斷口部位取樣，進(jìn)行化學(xué)檢驗(yàn)。結(jié)果為：含碳0.42～0.46%，硅 0.25～0.32%，錳 0.6～0.8%，硫含量不大于0.02%，磷含量不大于0.03%，為合格45 鋼。符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

1.4 金相組織觀察

在斷口部位取金相試樣，在金相顯微鏡100 倍下觀察，存在大、小不一的網(wǎng)狀鐵素體，索氏體團(tuán)的直徑大的超過3mm，最小的0.1mm，形成混晶結(jié)構(gòu)；鐵素體從鐵素體網(wǎng)向網(wǎng)內(nèi)生長，形成5 級魏氏組織；網(wǎng)狀鐵素體和魏氏組織都是非珠光體組織。

1.5 機(jī)械性能測定

從斷裂曲軸上取樣，制成抗拉強(qiáng)度試樣和沖擊韌性試樣。測量的結(jié)果是：抗拉強(qiáng)度480～530MPa，沖擊韌性Ak值為12～15J/cm2；用無金相缺陷的鋼材做的對比試樣的強(qiáng)度指標(biāo)是：抗拉強(qiáng)度600～700MPa，Ak值為 40～50J/cm2。

2 曲軸斷裂失效的綜合分析

為查清上述不良組織的形成原因，我們與外協(xié)單位進(jìn)行了多次生產(chǎn)流程跟蹤觀察，查閱生產(chǎn)記錄并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，最后確認(rèn)外協(xié)單位在鍛造加熱時(shí)為提高生產(chǎn)效率、降低成本，加熱溫度控制過高，裝爐量過大造成部分件加熱時(shí)間過長。而在鍛打后的冷卻過程中，由于工件本身尺寸和重量較大，毛坯又堆放在一起，使冷卻速度進(jìn)一步降低。

45 鋼經(jīng)鍛打并在空氣中冷卻后的正常組織為珠光體。但在鍛造過程中，如果工件毛坯在過高的溫度下加熱時(shí)間過長，便形成晶粒粗大的奧氏體組織，在隨后的冷卻過程中，珠光體在奧氏體晶界成核并長大，由于珠光體團(tuán)直徑是由成核率和長大速度決定的，所以容易形成大直徑的珠光體團(tuán)。珠光體團(tuán)直徑越小，相界面多，在受到外力作用時(shí)，抗塑性變形的能力提高；同時(shí)，珠光體團(tuán)直徑越小，則單位體積內(nèi)珠光體片層排列方向越多，材料的塑性變形能力越大。因而既提高了強(qiáng)度又提高了韌性。反之，珠光體層間距和珠光體團(tuán)直徑越大，強(qiáng)度和韌性都將隨之降低。如果鋼中的珠光體是在連續(xù)冷卻過程中形成，則轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的珠光體團(tuán)直徑不等，高溫形成的大，低溫形成的小，引起了抗塑性變形能力的不同。在外力作用下，抗塑性變形能力小的區(qū)域?qū)l(fā)生較大的變形，引起應(yīng)力集中而破壞，使強(qiáng)度和韌性都降低。在工件粗加工后進(jìn)行的調(diào)質(zhì)過程中，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w（極細(xì)珠光體），大直徑的珠光體團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)榇笾睆降乃魇象w團(tuán)，即把其危害性遺傳到調(diào)質(zhì)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中。

鋼中出現(xiàn)的魏氏組織屬于二次魏氏組織鐵素體，之所以將其歸于二次魏氏組織，是因?yàn)榭梢悦鞔_看出魏氏組織是從網(wǎng)狀鐵素體向網(wǎng)內(nèi)生長形成的。魏氏組織的出現(xiàn)，使工件的機(jī)械性能，尤其是沖擊韌性和塑性進(jìn)一步降低。

壓力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，曲軸承受的是彎曲和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合交變載荷，在內(nèi)部形成交變應(yīng)力，使曲軸對疲勞性能要求高。疲勞性能的降低將降低曲軸的承載能力。因此，金相組織不良是這次曲軸斷裂的主要原因。

從零件的幾何結(jié)構(gòu)上分析，工件在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，載荷在其受力截面的突變處形成應(yīng)力集中，當(dāng)這些部位的應(yīng)力超過工件材料的強(qiáng)度極限時(shí)，工件就會發(fā)生斷裂破壞；當(dāng)超過工件材料的疲勞強(qiáng)度極限時(shí)，工件將發(fā)生疲勞斷裂。因此，對承受交變載荷、對疲勞性能要求高的工件，其承載部位應(yīng)避免應(yīng)力集中。1000kN 壓力機(jī)曲軸的截面突變部位未采取圓角結(jié)構(gòu)而采用銳角，從而形成應(yīng)力集中，使曲軸的承載能力下降。因此，曲軸結(jié)構(gòu)上的缺陷是其斷裂失效的重要原因。

另外，較大的工件表面粗糙度也降低了疲勞性能，因?yàn)榇植诙葦?shù)值越大，工件對應(yīng)力集中越敏感。

3 改進(jìn)措施的制定和實(shí)施

（1）改進(jìn)曲軸結(jié)構(gòu)。將各臺階處的銳角分別改為R3 到R50 的圓角過渡，減小應(yīng)力集中，改善曲軸內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，提高承載能力。改進(jìn)后的曲軸簡圖如圖2 所示。

（2）曲軸斷裂部位的圓角處粗糙度提高二個(gè)等級，其他表面提高一個(gè)等級。

（3）由于以前對曲軸毛坯的檢查只涉及化學(xué)成分和尺寸，未進(jìn)行金相檢查，導(dǎo)致有金相缺陷的毛坯投入生產(chǎn)，造成這次斷裂失效，因此決定修改檢驗(yàn)規(guī)程。新規(guī)程要求對所有壓力機(jī)的曲軸毛坯全部進(jìn)行金相檢查，曲軸金相組織晶粒度等級達(dá)到5—9 級，帶狀組織不大于2 級，魏氏組織不大于2 級，無網(wǎng)狀鐵素體組織。

（4）有金相組織缺陷的材料，必須通過熱處理消除缺陷并經(jīng)重新檢查，確認(rèn)合格后才能投入使用。

網(wǎng)狀鐵素體和二次魏氏組織是兩種不同形態(tài)的組織，其轉(zhuǎn)變的機(jī)理也不同。網(wǎng)狀鐵素體形成過程中，α-Fe 進(jìn)行共格切變，碳原子進(jìn)行擴(kuò)散；二次魏氏組織的形成依托網(wǎng)狀鐵素體，過程中不但有碳原子的擴(kuò)散，還有鐵原子的擴(kuò)散。因此要消除這兩種組織，不但要控制加熱溫度和時(shí)間，而且要掌握好冷卻的速度。通過試驗(yàn)室和生產(chǎn)現(xiàn)場的驗(yàn)證，制定如下工藝：890℃×240min 保溫，出爐風(fēng)冷。金相檢查結(jié)果為：珠光體+塊狀鐵素體，晶粒度5—8 級，為正常平衡態(tài)組織。

通過制定改進(jìn)措施并組織實(shí)施，十多年來，一直進(jìn)行的跟蹤調(diào)查和售后服務(wù)過程中再也未發(fā)生曲軸斷裂失效的情況。證明避免有金相缺陷的毛坯投入生產(chǎn)，進(jìn)一步改進(jìn)曲軸幾何結(jié)構(gòu)以及提高表面粗糙度是防止曲軸早期疲勞斷裂失效的有效手段。

4 小結(jié)

（1）保證產(chǎn)品質(zhì)量、減少出廠設(shè)備故障是降低消耗、減少損失的重要方面。為此，不但要對本企業(yè)生產(chǎn)過程加強(qiáng)工藝紀(jì)律檢查，對外購、外協(xié)廠家也要按要求做好評價(jià)，考察其生產(chǎn)和服務(wù)過程。

（2）產(chǎn)品設(shè)計(jì)要不斷改進(jìn)提高，創(chuàng)新發(fā)展，從源頭保證產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）面對新的市場條件，質(zhì)檢工作也要做出及時(shí)反應(yīng)、更新觀念，針對質(zhì)量問題，提高檢驗(yàn)要求，增加檢驗(yàn)手段；嚴(yán)格按照ISO 9001-2000 質(zhì)量體系標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)和服務(wù)的全過程。

[1]胡賡祥，主編.金屬學(xué).上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1980.

[2]劉連成，主編.金屬熱處理原理.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1987.

[3]劉云旭，主編.金屬熱處理原理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

[4]陳剛中.汽車連桿鍛造工藝與質(zhì)量淺析.鍛壓裝備與技術(shù)，2009，44（4）.

[5]鹿建新.螺釘斷裂原因分析及改進(jìn)措施.鍛壓裝備與技術(shù)，2007，42（2）.

[6]熱處理手冊編委會.熱處理手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.