潛水泵軸套外表面磨損與開裂失效分析

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(1. 成都天璣源科技有限公司, 成都 610031;2. 長江三峽水電工程有限公司, 宜昌 443000)

潛水泵軸套外表面磨損與開裂失效分析

陳啟先1,韓勇2,范智2

(1. 成都天璣源科技有限公司, 成都 610031;2. 長江三峽水電工程有限公司, 宜昌 443000)

對開裂的軸套進(jìn)行了宏觀分析，根據(jù)其表面明顯的犁溝和尺寸減小特征判斷其一級失效模式主要為磨損失效。掃描電鏡形貌觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)磨損區(qū)域存在周向分布的、大致平行的微裂紋，同時存在致密的黏屑和磨痕。能譜分析發(fā)現(xiàn)這些磨屑成分與軸套成分存在較大差異，是從與其配合的構(gòu)件上遷移而來，即軸套和固定軸承的導(dǎo)流殼(過軸孔部位)之間發(fā)生了黏著磨損，并最終導(dǎo)致了軸套的開裂。通過加大過軸孔內(nèi)徑較好地解決了軸套磨削與開裂的問題。

軸套; 黏著磨損; 開裂; 犁溝; 黏屑; 微裂紋

高速工具鋼碳含量和合金元素含量均較高，鋼中容易形成各種合金碳化物，在600 ℃工作時仍具有較高的硬度，適于制造各種耐高溫或要求切削速率很高的設(shè)備，或者制作耐磨性要求較高的機械零件[1]。美國富蘭克林試驗潛水泵于2015年3月在中國三峽集團(tuán)某電站一級取水泵站正式下水投入運行(取金沙江原水)，其中2015年6月到7月，該潛水泵累計運行670 h時拆開檢查發(fā)現(xiàn)最后一級軸套存在裂紋，見圖1，同時導(dǎo)流殼軸承孔的內(nèi)徑也明顯變大。該軸套材料為W6Mo5Cr4V2Al鋁高速鋼，安裝使用前經(jīng)檢測硬度為68 HRC。

圖1 開裂軸套宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the cracked sleeve

正常服役時，軸套套在軸上，其外表面與高分子材料的軸承配合使用，形成一對摩擦副，軸套和軸承之間存在間隙，江水和水中的細(xì)小沙?？蛇M(jìn)入該間隙中。圖1中軸套1區(qū)未與任何零部件接觸，2區(qū)為對應(yīng)軸承部位，3區(qū)對應(yīng)固定軸承的導(dǎo)流殼過軸孔部位，參見圖2中各零部件的相對位置。

圖2 軸、軸套、軸承與導(dǎo)流殼相對位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of relative positions of shaft,sleeve, bearing and guide shell

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

肉眼觀察可見，失效軸套外表面的形貌特征可分為兩種：一種未見磨損特征，表面比較光亮，局部存在點腐蝕和銹蝕痕跡，見圖1中1區(qū)； 2區(qū)和3區(qū)軸套外徑尺寸明顯減小，存在周向分布的黃褐色變色帶，3區(qū)存在穿透型裂紋，根據(jù)“T”型法則判斷，主裂紋與軸向平行，沿周向擴展的、較小的裂紋為次生裂紋。

圖3 失效軸套外表面宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the failure sleeve:a) circumferential color change band and reticular microcracks;b) parallelled microcracks

在體視顯微鏡下觀察，2區(qū)和3區(qū)無穿透型裂紋區(qū)域還存在縱向或網(wǎng)狀裂紋以及周向“犁溝”，還存在多條縱向平行排列的微裂紋，見圖3。

由失效軸套的宏觀分析結(jié)果可知，軸套外徑尺寸明顯減小為材料遷移所致，屬于磨損范疇，表面黃褐色的變色帶為摩擦熱所致。

1.2 沙子硬度檢測

將該電站一級泵站抽上來的沙子進(jìn)行納米壓痕檢測，對隨機的6個樣本分別隨機檢測10個點，見圖4，總計測試了60個點，然后參考GB/T 21838.1-2008《金屬材料 硬度和材料參數(shù)的儀器化壓痕試驗 第1部分：試驗方法》將測得的結(jié)果換算成維氏硬度，統(tǒng)計結(jié)果見表1，可見沙子硬度最高可達(dá)500～600 HV。

1.3 化學(xué)成分分析

從與軸套接觸的導(dǎo)流殼上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2，可見所檢測的元素含量均符合ASTM A304-2011對304不銹鋼成分的技術(shù)要求。

圖4 硬度檢測沙子宏觀形貌Fig.4 Marco morphology of sands for hardness test:a) morphology of the sands;b) morphology of the hardness test samples

檢測點硬度/HV數(shù)量/點占比/%0～10000100～2001525．0200～300711．6300～4002643．3400～5001118．3500～60011．7≥60000

從開裂的軸套上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2，可見所檢測的元素含量均符合GB/T 9943-1988 對W6Mo5Cr4V2Al(M2A)鋼成分的技術(shù)要求。

表2 導(dǎo)流殼和軸套化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical composition analysis results of the impeller and the sleeve (mass fraction) %

1.4 掃描電鏡分析

掃描電鏡(SEM)分析試樣宏觀形貌見圖5，其中圖5a)中可見明顯的黏屑和犁溝，圖5b)中可見明顯的犁溝和與犁溝垂直的裂紋。

將圖5所示試樣放置于掃描電鏡內(nèi)觀察可見，磨損區(qū)域具有明顯的黏著磨損特征，存在凹坑、平行分布的微裂紋以及比較致密的附著物，見圖6a)和圖6b)；還存在嵌入的顆粒狀異物和黏屑，見圖6c)和圖6d)。

1.5 能譜分析

采用EDAX能譜儀(EDS)對異物和黏屑進(jìn)行無標(biāo)樣定性和半定量分析，結(jié)果見圖7。能譜分析結(jié)果顯示：磨損區(qū)域條帶狀黏屑的鉻和鎳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)均較高，分別為16.6%和10.6%，見圖7a)和圖7b)；軸套基體的分析結(jié)果見圖7c)和圖7d)，可見基體中的鉻含量為4.30%,鎳未檢出。由此推斷，磨損區(qū)域的條帶狀黏屑是從不銹鋼構(gòu)件上撕脫下來的黏屑。

圖5 SEM試樣宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of the SEM samples:a) sticky scales and furrows; b) furrows and cracks

圖7 EDS分析位置和結(jié)果Fig.7 EDS analysis positions and results: a) EDS analysis position of the sticky scales; b) EDS analysis results of the sticky scales;c) EDS analysis position of the matrix; d) EDS analysis results of the martrix

2 分析與討論

宏觀觀察顯示:軸套外表面較大區(qū)域的外徑尺寸明顯減小，為基體材料損失或遷移所致，屬于磨損范疇[2]；軸套外表面呈周向分布的“梨溝”為磨粒磨損特征[3]；軸套外表面還存在呈軸向平形狀分布的微裂紋，這與摩擦?xí)r產(chǎn)生的拉應(yīng)力有關(guān)[4]；在磨損區(qū)域觀察到較多嵌入或覆蓋的異物，存在條帶狀黏屑，經(jīng)能譜分析其主要成分為鉻和鎳，是從導(dǎo)流殼內(nèi)孔表面撕脫下來的，該軸套外表面經(jīng)歷了黏著磨損。黏著磨損是相對運動的物體接觸面發(fā)生了固體黏著，使材料從一個面轉(zhuǎn)移到另一個面的現(xiàn)象，是兩個金屬面在壓應(yīng)力下相互滑動時發(fā)生的，有時可使摩擦副咬死，是一種嚴(yán)重的磨損形式[3]。黏著磨損因相互接觸的金屬面之間相互撕扯會導(dǎo)致較大的拉應(yīng)力和摩擦熱。對于普通的結(jié)構(gòu)鋼，黏著磨損產(chǎn)生的大量摩擦熱會導(dǎo)致接觸面溫度升高，硬度下降，韌性增加，一般不會產(chǎn)生開裂；而高速鋼具有“紅硬性”，即便溫度達(dá)到600 ℃時仍具有較高的硬度和強度。磨削可使工件表面迅速升溫到840 ℃或更高[5]，黏著磨損造成的溫度升高更多，此時材料的硬度會降低，較硬的砂石如進(jìn)入間隙，則很容易導(dǎo)致磨粒磨損，在軸套外表面形成犁溝，如果溫度升高達(dá)到了材料的奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，發(fā)生了奧氏體轉(zhuǎn)變，因W6Mo5Cr4V2Al鋼的淬透性能很好，若此時再與水接觸將會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，導(dǎo)致淬火開裂。另外，要從強度較高的高速鋼表面撕扯下基體材料(黏著磨損)必須要有較大的拉應(yīng)力，這會導(dǎo)致韌性較低的高速鋼表面產(chǎn)生開裂，其開裂方向一般與拉應(yīng)力方向(磨損方向)垂直。

3 結(jié)論

軸套外表面的磨損性質(zhì)主要為黏著磨損和磨粒磨損；軸套外表面的裂紋為過度磨損所致，主要與黏著磨損有關(guān)。

4 改進(jìn)措施及效果

軸套外表面的裂紋為過度磨損所致，主要與黏著磨損有關(guān)，為非正常磨損。軸套的3區(qū)對應(yīng)的是導(dǎo)流殼過軸孔位置，該過軸孔尺寸只比軸套外徑大1 mm左右，軸承和軸套使用一段時間磨損后，軸套3區(qū)極易碰擦該過軸孔，高速旋轉(zhuǎn)的軸套3區(qū)(高速鋼)與該過軸孔的金屬基體(304不銹鋼)發(fā)生碰擦，會產(chǎn)生大量的熱量，使得軸套膨脹開裂。基于此將過軸孔內(nèi)徑車削加大5 mm后，累計運行3 400 h的軸套拆開檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋。

[1] 李春勝, 黃德彬. 金屬材料手冊[M]. 2版. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[2] 王榮. 機械裝備的失效分析(續(xù)前) 第2講 宏觀分析技術(shù)[J]. 理化檢驗-物理分冊,2016,52(8):534-541.

[3] 張棟,中培道,陶春虎. 失效分析[M]. 1版. 北京:國防工業(yè)出版社,2004.

[4] 王榮. 鋁型材擠壓模具開裂機理分析[J]. 機械工程材料,2008,32(2):63-66.

[5] 師昌緒,鐘群鵬,李成功. 中國材料工程大典[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

FailureAnalysisonWearingandCrackingofOuterSurfaceofaSubmersiblePumpSleeve

CHENQixian1,HANYong2,FANZhi2

(1. Chengdu Tianjiyuan Technology Co., Ltd., Chengdu 610031, China;2. Three Gorges Hydroelectric Engineering Co.,Ltd., Yichang 443000, China)

Macro analysis was done to the cracked sleeve, and according to the obvious characteristics of furrows and size reduction it was concluded that the first failure mode of the sleeve was mainly wear failure. SEM observation results show that there were roughly circumferential parallel microcracks in the wear area, as well as dense sticky scales and wear marks. Energy spectrum analysis found that there was a large difference between the compositions of these scales and the sleeve, which show that the scales were migrated from its matching component. It can be concluded that adhesive wear occurred between the sleeve and the guide shell (bearing hole) used to fix the bearing, which eventually led to the cracking of the sleeve. The problem of sleeve wearing and cracking was well solved by increasing the inner diameter of the bearing hole.

sleeve; adhesive wear; cracking; furrow; sticky scale; microcrack

2017-07-13

陳啟先(1966-)，男，高級工程師，學(xué)士，主要從事金屬材料及其熱處理研究工作，1036614439@qq.com

10.11973/lhjy-wl201712011

TH38; TK730.8

B

1001-4012(2017)12-0897-04