壓縮機(jī)主軸開(kāi)裂原因分析

陳煒，王曉燕，郝建國(guó)，包翠敏，林彬，曲德毅

S43100型鋼為一種馬氏體不銹鋼，具有高的耐蝕性和良好的力學(xué)性能，在工業(yè)上應(yīng)用廣泛。壓縮機(jī)中主軸使用的材料多為40NiCrMo7、12Cr13等，但由于材料在硝酸環(huán)境中的耐蝕性不如S43100型不銹鋼，因此，在硝酸環(huán)境中的主軸首選材料為S43100型不銹鋼。

某公司生產(chǎn)的直徑550mm的階梯主軸，此材料主軸進(jìn)廠后經(jīng)過(guò)粗加工，然后進(jìn)行正火（空冷）+淬火（油冷）+回火（油冷）+回火（空冷）處理。但是主軸在熱處理完成后發(fā)現(xiàn)臺(tái)階部分出現(xiàn)裂紋，開(kāi)裂工件實(shí)物見(jiàn)圖1，臺(tái)階處斷裂形式為脆性斷裂，沒(méi)有明顯的塑性變形。本文通過(guò)對(duì)工件開(kāi)裂進(jìn)行分析，探究裂紋產(chǎn)生的過(guò)程和產(chǎn)生機(jī)理。

1. 失效分析過(guò)程與結(jié)果

對(duì)于S43100不銹鋼來(lái)說(shuō)，當(dāng)Cr含量超出規(guī)范時(shí)，由于Cr封閉γ區(qū)的結(jié)果，鐵素體將顯著增加。隨著鐵素體的大量存在，其沖擊韌度下降，易引起主軸開(kāi)裂，所以對(duì)主軸進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試。其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可以排除化學(xué)成分對(duì)材料的影響。

過(guò)熱不僅在淬火后產(chǎn)生粗大的馬氏體組織，而且易于引起淬火開(kāi)裂。然后對(duì)主軸試樣進(jìn)行金相顯微組織觀察，其顯微組織如圖2所示，為回火索氏體、少量淬火馬氏體以及塊狀分布的鐵素體為正常的調(diào)質(zhì)組織，故可排除原材料和熱處理過(guò)熱的影響。

對(duì)主軸進(jìn)行外觀形貌觀察，其實(shí)物如圖3所示。由圖可知，主軸的臺(tái)階部分沒(méi)有進(jìn)行倒圓處理，工件淬火的目的是獲得高硬度、高強(qiáng)度的馬氏體，即由高溫的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槌叵碌鸟R氏體組織。因此，材料在淬火過(guò)程中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，臺(tái)階部分如果采用直角過(guò)渡，則易導(dǎo)致主軸由于應(yīng)力集中引起開(kāi)裂。

《鋼件的淬火熱處理變形與控制》文獻(xiàn)中指出，淬火開(kāi)裂的主要原因是冷卻過(guò)快而產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力及相變應(yīng)力。在馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中，開(kāi)裂是由于形成馬氏體的體積膨脹引起的。出現(xiàn)開(kāi)裂必定存在著應(yīng)力梯度，即應(yīng)力集中。常見(jiàn)的應(yīng)力梯度有兩種，其中包括尖角因素。

綜合文獻(xiàn)和主軸的外觀形貌可以看出，主軸的臺(tái)階部分以直角過(guò)渡是造成主軸開(kāi)裂的一個(gè)主要原因。

另外，主軸熱處理工藝為正火1020℃保溫12h，空冷，然后淬火，由于S43100鋼為馬氏體不銹鋼，1020℃空冷即得淬火馬氏體，對(duì)于馬氏體不銹鋼來(lái)說(shuō)，具有硬而脆的特點(diǎn)，且其淬火應(yīng)力很大。但正火后進(jìn)行1000℃保溫12h，然后油冷的淬火處理，會(huì)造成內(nèi)應(yīng)力進(jìn)一步增大，增加主軸臺(tái)階部分開(kāi)裂趨勢(shì)，雖然在720℃保溫1h，但保溫時(shí)間較短，組織轉(zhuǎn)變并不完全，對(duì)于內(nèi)應(yīng)力的消除作用不大。

綜合以上分析結(jié)果，材料的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)中的要求，通過(guò)金相顯微組織可以看出組織為回火索氏體、少量淬火馬氏體，以及塊狀分布的鐵素體，為正常的顯微組織，所以可以排除材料及熱處理過(guò)熱的原因?？梢哉J(rèn)為主軸的開(kāi)裂是發(fā)生在熱處理過(guò)程中，并且認(rèn)為主軸的臺(tái)階部分以直角過(guò)渡是造成此次主軸淬火開(kāi)裂的主要原因。

2. 改進(jìn)措施

對(duì)主軸臺(tái)階部分進(jìn)行倒圓處理，以圓角進(jìn)行過(guò)渡，可以緩解材料在熱處理過(guò)程中的應(yīng)力集中現(xiàn)象，減少主軸開(kāi)裂的趨勢(shì)。另外，在正火處理后增加回火處理，目的是調(diào)整鋼的內(nèi)部組織，將其粗大的組織進(jìn)行細(xì)化，消除內(nèi)應(yīng)力，使其達(dá)到對(duì)后續(xù)的調(diào)質(zhì)處理有利的原始組織；重新調(diào)質(zhì)處理，目的是使晶粒得以細(xì)化。

通過(guò)此方案，對(duì)另一件主軸進(jìn)行粗加工→正火→回火→淬火→回火，最后進(jìn)行精加工，并未發(fā)現(xiàn)有裂紋存在，所以此方案是可行的。

表1 S43100不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3. 結(jié)語(yǔ)

（1）主軸的開(kāi)裂是發(fā)生在熱處理過(guò)程中。

（2）主軸臺(tái)階部分直角過(guò)渡是造成主軸開(kāi)裂的主要原因。

（3）正火后直接進(jìn)行淬火增加了主軸開(kāi)裂的趨勢(shì)。