某工程機(jī)械傳動系統(tǒng)用主軸斷裂原因分析

姚 良, 徐浩杰, 劉 麗

(蘇州邁拓金屬檢測服務(wù)有限公司, 蘇州 215126)

某工程機(jī)械傳動系統(tǒng)主軸為高速旋轉(zhuǎn)軸，在使用過程中發(fā)生了斷裂，其正常使用周期為0.5 a(年)，但該軸僅使用70 d(天)就發(fā)生了斷裂。主軸材料為17NiCrMo6-4鋼，調(diào)質(zhì)后表面局部滲碳處理，調(diào)質(zhì)硬度要求為260～300 HB。該主軸的生產(chǎn)工藝流程為：原材料下料→鍛造→粗車→調(diào)質(zhì)→半精車→局部滲碳淬火→精加工→產(chǎn)品。該主軸全長500 mm，在直徑較大(φ140 mm)的一端上有軸套，軸套壁厚約2.5 mm，材料為45鋼，內(nèi)壁鍍了一層黃顏色的合金。主軸斷裂位置如圖1所示，斷口位于直徑較大處，在軸套覆蓋區(qū)內(nèi)。為找出主軸斷裂原因，筆者對其進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析，以期類似事故不再發(fā)生。

圖1 斷裂主軸宏觀形貌Fig.1 Macromorphology of the fractured main shaft

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

圖2 斷口及周邊宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fracture and its periphery: a) the fracture; b) surface around the fracture; c) inside of the shaft sleeve

主軸斷口宏觀形貌如圖2所示，可見斷口上有明顯的疲勞條帶，并且有與軸套內(nèi)側(cè)合金鍍層一樣顏色的物質(zhì)附著在斷口上，斷口周圍表面靠近斷口處呈藍(lán)色，有沿周向的明顯磨損痕跡，同時在軸套內(nèi)側(cè)表面也發(fā)現(xiàn)大量磨損痕跡。軸套靠近斷口一端內(nèi)側(cè)的合金大部分已掉落，另外一側(cè)的合金也有嚴(yán)重磨損，軸套同樣高度不同部位厚度有明顯差別，厚度最大差異達(dá)到0.4 mm。

1.2 化學(xué)成分分析

在斷口附近取樣，制作滿足尺寸要求的光譜試樣，依據(jù)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(fā)射光譜法(常規(guī)法)》，采用SPECTRO直讀光譜儀分析主軸的化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示?？梢娖浠瘜W(xué)成分符合BS EN 10084:2008《滲碳鋼交貨技術(shù)條件》中對17NiCrMo6-4鋼的成分要求。

1.3 金相檢驗(yàn)

在疲勞源附近取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，采用4%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸酒精溶液浸蝕，發(fā)現(xiàn)斷口附近圓周表面有較多白亮區(qū)，白亮區(qū)深度為100～200 μm，呈不均勻分布，周圍被一圈黑色所包圍，白亮區(qū)分布位置與表面磨損痕跡位置相對應(yīng)。在其中一個白亮區(qū)邊上發(fā)現(xiàn)一條裂紋，裂紋從白亮區(qū)邊緣黑色區(qū)域起源，并向內(nèi)部擴(kuò)展，擴(kuò)展方向與斷口方向平行。裂紋里發(fā)現(xiàn)有明顯黃色物質(zhì)填充，與軸套內(nèi)側(cè)合金顏色一致。疲勞源區(qū)的顯微組織形貌如圖3所示，可見白亮區(qū)顯微組織為二次淬火形成的未回火馬氏體，周圍黑色區(qū)域?yàn)樵瓭B碳表層回火馬氏體繼續(xù)回火形成的回火屈氏體[1-2]，表面滲碳組織為回火馬氏體，為正常滲碳后的顯微組織。見圖3。

表1 主軸的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the main shaft (mass fraction) %

圖3 疲勞源區(qū)顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of the fatigue source area: a) white bright area; b) microstructure morphology of the white bright area

1.4 硬度測試

使用型號為DIA TESTER 2RC的WOLPERT硬度計，在主軸心部取樣進(jìn)行橫截面硬度測試，標(biāo)尺選用HBW2.5/187.5，加載時間15 s，測試結(jié)果分別為266，261，272 HBW，平均值為266 HBW，滿足圖紙規(guī)范要求260～300 HB。使用維氏硬度計在金相試樣上分別測試白亮區(qū)及旁邊正常顏色區(qū)的硬度，白亮區(qū)硬度為790 HV1，正常區(qū)域?yàn)?37 HV1，進(jìn)一步證明白亮區(qū)的顯微組織為發(fā)生了二次淬火后的未回火馬氏體。

1.5 微觀分析及能譜分析

在斷口疲勞源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)取樣進(jìn)行微觀分析，如圖4和圖5所示，可見疲勞源區(qū)斷口上覆蓋明顯的附著物，不能觀察到清晰的斷口形貌。擴(kuò)展區(qū)能觀察到疲勞輝紋。用能譜儀(EDS)分析覆蓋在斷口上的附著物及軸套內(nèi)側(cè)合金成分，結(jié)果見表2，可見這兩個區(qū)域的元素及含量基本一致，主要元素為銅、錫、鉛、鐵。

2 分析與討論

圖4 疲勞源區(qū)微觀形貌Fig.4 Microstructure morphology of the fatigue source area

圖5 疲勞擴(kuò)展區(qū)條帶微觀形貌Fig.5 Microstructure morphology of the fatigue growth area strip

表2 EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 EDS analysis results (mass fraction) %

由以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，斷裂主軸的化學(xué)成分、滲碳熱處理顯微組織和調(diào)質(zhì)硬度均未見異常，宏觀分析及微觀分析發(fā)現(xiàn)主軸斷口呈現(xiàn)明顯的疲勞斷裂特征，明顯可見疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，斷裂發(fā)生在主軸與軸套配合部位的邊緣，各自配合區(qū)域表面均磨損嚴(yán)重，主軸斷口周圍呈現(xiàn)明顯的磨損痕跡以及藍(lán)色條帶，軸套內(nèi)鍍層已多處脫落，軸套同樣高度沿圓周方向不同部位厚度有明顯差別，厚度最大差異約為0.4 mm，說明主軸與軸套形成了偏磨，并且磨損過程比較劇烈，在表面產(chǎn)生了高溫氧化[3-4]。金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)斷口有多處白亮區(qū)，白亮區(qū)形成原理類似于磨削燒傷，劇烈的磨損使局部表面產(chǎn)生高溫[5-6]。當(dāng)溫度超過奧氏體化開始溫度Ac1時，零件表面局部重新奧氏體化，使得局部區(qū)域發(fā)生二次淬火，形成未回火馬氏體，由于其不容易被腐蝕而形成白亮區(qū)。緊挨白亮區(qū)的周圍沒有磨損，為白亮區(qū)高溫的熱影響區(qū)，溫度低于Ac1，使得表層的滲碳淬火回火馬氏體繼續(xù)分解，轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏幕鼗鹎象w，回火屈氏體的比容小于馬氏體，所以在白亮區(qū)周圍引起體積收縮而呈拉應(yīng)力狀態(tài)[7]，當(dāng)拉應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度時，便會產(chǎn)生微裂紋。微裂紋生成以后，主軸仍然繼續(xù)進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，與軸套內(nèi)壁鍍層的摩擦，使得軟的鍍層發(fā)生黏著轉(zhuǎn)移，有些直接進(jìn)入裂紋內(nèi)部，隨著裂紋的擴(kuò)展，鍍層進(jìn)入得越來越多，也越來越深。白亮區(qū)周圍形成的裂紋作為疲勞源，在主軸高速旋轉(zhuǎn)使用過程中逐漸擴(kuò)展直至主軸斷裂。

3 結(jié)論及建議

該主軸的斷裂模式為疲勞斷裂，主軸和軸套的偏磨使得主軸表面磨損嚴(yán)重，磨損造成的溫度升高超過奧氏體化溫度，冷卻后形成了局部未回火馬氏體的白亮區(qū)，在白亮區(qū)周圍溫度較低的回火區(qū)域萌生的裂紋成為疲勞源，在主軸高速旋轉(zhuǎn)過程中裂紋擴(kuò)展直至主軸發(fā)生斷裂。

建議檢查軸和軸套不正常磨損的原因，如軸和軸套組裝是否存在偏心異常、軸是否存在殘余應(yīng)力而引起變形，同時應(yīng)特別關(guān)注運(yùn)行時的潤滑條件是否有異常，避免同類斷裂事故再次發(fā)生。