轉(zhuǎn)爐氧槍減速機(jī)軸斷裂原因分析

苗新亮

摘 要：某廠120噸轉(zhuǎn)爐氧槍減速機(jī)高速軸在使用9年時(shí)間左右出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。檢驗(yàn)分析了斷軸宏觀、微觀形貌、化學(xué)成分和金相組織以及硬度等進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。經(jīng)檢測(cè)可以看出，疲勞是減速機(jī)高速軸斷裂的主要因素，而金相組織存在缺陷和雜質(zhì)含量高主要是由于熱處理工藝不當(dāng)造成的，在彎曲旋轉(zhuǎn)作用力下出現(xiàn)疲勞斷裂現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：減速機(jī)軸；疲勞；斷裂

前言

120噸轉(zhuǎn)爐氧槍卷?yè)P(yáng)減速機(jī)為某廠大概提供了9年左右的服務(wù)時(shí)間開(kāi)始出現(xiàn)高速軸斷裂。JZQ750型圓柱齒輪減速機(jī)的主要特點(diǎn)就是雙輸入、單輸出型式。直徑為60毫米，驅(qū)動(dòng)電機(jī)65kW，高速軸為45號(hào)鋼鍛件鑄造而成，經(jīng)過(guò)進(jìn)行調(diào)試處理，軸硬度標(biāo)準(zhǔn)為HB228-HB250。而本次實(shí)驗(yàn)從宏觀和微觀形貌、化學(xué)成分、金相組織和硬度檢測(cè)過(guò)程中找出了發(fā)生斷裂的重要因素。

1 斷裂軸宏觀觀察

經(jīng)過(guò)對(duì)減速機(jī)斷裂軸承進(jìn)行宏觀形貌觀察，在軸表面發(fā)現(xiàn)一條寬17毫米，深5毫米的鍵槽，該鍵槽尾部從長(zhǎng)方形管過(guò)渡到半圓形，而減速機(jī)軸的斷裂部位正處于過(guò)渡區(qū)域，與此同時(shí)這個(gè)軸在斷裂左面還存在一個(gè)錐度，斷裂右邊為圓柱體，而斷裂部分正好位于橫截面出，兩個(gè)斷裂面可以進(jìn)行良好的結(jié)合。斷口部分存在著大量鐵銹，經(jīng)過(guò)超聲波清洗之后斷口形貌比較平坦，可明顯看出擦傷痕跡，還可以看到疲勞源、擴(kuò)展區(qū)以及瞬斷區(qū)三個(gè)區(qū)域。從鍵槽底部右側(cè)尖角處圓心開(kāi)始向周?chē)鷶U(kuò)散出細(xì)小的貝紋線，由此可以判斷出此處為裂紋主要源頭，并且該部位比較平滑，呈現(xiàn)出細(xì)晶狀，并伴有輕微塑性變形跡象。該部位也是鍵槽底部尖角、軸變截面和鍵槽尾部長(zhǎng)方形和半圓形的過(guò)渡區(qū)域，屬于受力疊加比較集中的部位。以疲勞源為中心向四周逐漸推進(jìn)的細(xì)小貝紋線在裂紋擴(kuò)展區(qū)可輕易觀察到，在靠近瞬斷區(qū)的貝紋線從密集逐漸變?yōu)槭枭⑿?，由此可以看出，隨著疲勞裂紋的不斷擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展速度在逐漸增加，從而形成了疲勞裂紋加速擴(kuò)展區(qū)。最終由于瞬斷區(qū)域面積較小，產(chǎn)生剪切唇，其最初的斷口樣式已經(jīng)完全被破壞，但是仍然能判斷出其屬于塑性斷裂，由此可以看出該軸承在使用過(guò)程中荷載比較低，具備旋轉(zhuǎn)疲勞斷裂的特點(diǎn)，其屬于低應(yīng)力高周疲勞斷裂，還可以判斷出該軸在運(yùn)行過(guò)程中處于逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。

2 檢驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1取樣

對(duì)減速機(jī)斷裂軸采用線切割方式，分別截取其光譜樣、硬度及低倍樣、拉深樣和金相樣進(jìn)行檢測(cè)和分析。

2.2化學(xué)成分分析

利用ARL4460型火花源子發(fā)射光譜儀進(jìn)行光譜分析，分析結(jié)果如表1所示。通過(guò)檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，該減速機(jī)軸材質(zhì)成分符合優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分含量標(biāo)準(zhǔn)。

2.3硬度檢驗(yàn)及低倍酸洗觀察

減速機(jī)軸界面的低倍樣需要通過(guò)1：1工業(yè)鹽酸水溶液進(jìn)行熱蝕，經(jīng)觀察，橫斷面沒(méi)有出現(xiàn)明顯的宏觀低倍缺陷，只是存在少量的中心松動(dòng)，在軸邊緣，需要對(duì)其1/4的直徑和中心部位分別進(jìn)行硬度測(cè)試，最終測(cè)試結(jié)果分別為244、239、248HB，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的228HB-250HB的要求范圍內(nèi)，但其結(jié)果接近上限。

2.4拉伸力學(xué)性能

通過(guò)檢驗(yàn)結(jié)果可以看出減速機(jī)軸的強(qiáng)度和塑性已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際GB/T699-1999的要求，但是其延伸率接近最低值，因此具備比較高的屈強(qiáng)性。如表2所示。

2.5金相檢驗(yàn)

經(jīng)過(guò)對(duì)金相樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)分析，把經(jīng)過(guò)磨制的光片放在顯微鏡下進(jìn)行觀察。疲勞源、縱向式樣和擴(kuò)展區(qū)、縱向式樣之間夾雜著很多的硫化物和氧化鋁雜質(zhì)，說(shuō)明材料冶金質(zhì)量非常差。通過(guò)4%的硝酸酒精腐蝕以后，疲勞源、縱向式樣和擴(kuò)展區(qū)、縱向式樣全部為貝氏體和少量珠光體，并且其組織并不均勻，可明顯看出偏析現(xiàn)象。根據(jù)技術(shù)支持，可斷定斷裂減速機(jī)軸材質(zhì)為45號(hào)鋼材，并且是經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理的，中碳結(jié)構(gòu)鋼中包括45號(hào)鋼，以回火索式為主的顯微組織是通過(guò)調(diào)質(zhì)處理得到的，而不是貝氏體+少量珠光體，這一現(xiàn)象說(shuō)明在對(duì)該軸進(jìn)行熱處理工藝過(guò)程中操作不當(dāng)。而偏析區(qū)和正常區(qū)域的顯微硬度測(cè)試表明，正常區(qū)域的顯微硬度明顯要低于偏析區(qū)。軸表面和心部組織不存在明顯差異，因此可以斷定該軸沒(méi)有經(jīng)過(guò)滲碳處理或者是其他方式的表面處理技術(shù)，而是直接投入使用。如表2所示。

3 掃描電鏡觀察

掃描電鏡分析主要用于斷口面的疲勞源和擴(kuò)展區(qū)域。疲勞源區(qū)域斷口比較平滑，呈現(xiàn)出瓷質(zhì)狀結(jié)構(gòu)，形成這種現(xiàn)象的主要因素因?yàn)槠诹鸭y在這個(gè)區(qū)域的擴(kuò)散速度比較慢，然后裂紋在反復(fù)張開(kāi)和閉合的狀態(tài)下將斷面打磨平滑，并且在根源區(qū)發(fā)現(xiàn)了二次裂紋現(xiàn)象。隨著疲勞裂紋的不斷擴(kuò)散，一系列高低不平的臺(tái)階組成了斷口，呈現(xiàn)出貝紋形狀，這可以進(jìn)一步證明減速機(jī)軸斷裂屬于疲勞斷裂。

4 討論分析

經(jīng)過(guò)對(duì)該減速機(jī)軸材質(zhì)化學(xué)成分進(jìn)行檢驗(yàn)分析表明，其符合優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼GB/T699-1999標(biāo)準(zhǔn)要求。在低倍檢驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的宏觀缺陷。根據(jù)力學(xué)性能及金相組織檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，減速機(jī)軸硬度和強(qiáng)度符合技術(shù)要求但其與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定相比，處于偏高狀態(tài)。顯微組織以貝氏體+少量珠光體為主，并不是經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理所獲得的回火索式體，而且軸外表面并沒(méi)有經(jīng)過(guò)滲碳處理或者是其他表面處理技術(shù)，因此可以得出在對(duì)該減速機(jī)軸進(jìn)行熱處理過(guò)程中工藝不達(dá)標(biāo)，回火索氏體和貝氏體對(duì)比而言，回火索氏體的綜合機(jī)械性能更強(qiáng)一些。與此同時(shí)還可以看出減速機(jī)軸材質(zhì)存在非常多的雜質(zhì)以及明顯的偏析帶?；w出現(xiàn)割裂現(xiàn)象主要是由于其中含有雜質(zhì)造成的，還導(dǎo)致應(yīng)力比較集中，同時(shí)偏析帶也非常容易出現(xiàn)組織應(yīng)力，以此來(lái)促進(jìn)疲勞裂紋快速擴(kuò)散。減速機(jī)軸經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用主要是根據(jù)斷口的宏觀形貌和斷裂部位來(lái)判斷，在反復(fù)旋轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生了裂紋，導(dǎo)致出現(xiàn)了疲勞源，由于鍵槽底部尖角、鍵槽尾部長(zhǎng)方形和半圓過(guò)渡區(qū)域和軸變界面的應(yīng)力相互疊加而出現(xiàn)了大量應(yīng)力集中現(xiàn)象，在后期循環(huán)載荷作用下微裂紋不斷向軸基體內(nèi)開(kāi)始擴(kuò)散，而促進(jìn)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)散的主要原因就是基體中的夾雜物和偏析現(xiàn)象，最終導(dǎo)致減速機(jī)軸出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)結(jié)果表明減速機(jī)軸中所含化學(xué)成分符合國(guó)標(biāo)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼GB/T699-1999中45號(hào)鋼材的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)對(duì)軸橫斷面進(jìn)行低倍檢驗(yàn)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其存在明顯宏觀缺陷，因此硬度符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。而該減速機(jī)軸屬于低應(yīng)力高周疲勞斷裂，造成出現(xiàn)疲勞源的主要因素是因?yàn)橹墟I槽底部在長(zhǎng)期使用過(guò)程中應(yīng)力比較集中，而且軸基體中存在很多的雜質(zhì)和偏析帶以及組織缺陷推動(dòng)了疲勞裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)散，最終造成齒輪軸出現(xiàn)疲勞斷裂現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1]李?lèi)?ài)軍，徐兆春，張文全，王軍.轉(zhuǎn)爐氧槍減速機(jī)高速軸斷裂失效診斷[J].安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，24（03）：12-15.

[2]王行山.轉(zhuǎn)爐氧槍升降橫移裝置卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)改進(jìn)方法探討[J].天津冶金，2013（04）：42-45.

[3]韓雪松.焦化減速機(jī)低速軸斷裂失效原因[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2011，28（01）：52-55.

（作者單位：唐鋼第一鋼軋廠）