數(shù)控輾環(huán)機(jī)用5CrNiMo主芯輥斷裂失效分析

李 波 謝 彬 孫東海 江緒平

(東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

數(shù)控輾環(huán)機(jī)是一臺(tái)高精度、高效率的環(huán)鍛件塑性成形設(shè)備，主要用于公司輾制火電、核電、工業(yè)透平汽輪機(jī)用汽封圈、調(diào)整墊片、隔板內(nèi)外環(huán)、環(huán)形導(dǎo)葉片等鍛件。其主芯輥、錐輥及主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是熱環(huán)件成形的重要工作部件。主芯輥?zhàn)鳛橹饕苄猿尚蝿?dòng)力，受制坯料質(zhì)量及材料特性等實(shí)際情況，主芯輥承載著變工況和多變形式載荷作用，如瞬間載荷沖擊、扭轉(zhuǎn)彎曲變形、疲勞等，因此主芯輥壽命長(zhǎng)短直接影響到輾環(huán)件制造成本及生產(chǎn)周期。

某輾環(huán)機(jī)主芯輥才使用半年左右就發(fā)生斷裂，未能達(dá)到采購(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的使用年限及頻次。對(duì)該5CrNiMo主芯輥斷裂進(jìn)行全方位失效分析，找出使用壽命變短原因。

1 宏觀形貌

主芯輥材料為調(diào)質(zhì)態(tài)5CrNiMo，加工后整體重量為819 kg。其制造流程為：圓鋼下料→鍛造→退火→見(jiàn)光粗車→淬火、回火→半精車→UT檢測(cè)(JB/T 4730.3—2005標(biāo)準(zhǔn))→精車→PT(過(guò)渡R100%)。輾制汽輪機(jī)用汽封圈時(shí)在主芯輥工作部位直徑320 mm并距離安裝底面約800 mm處發(fā)生斷裂，如圖1所示。

主芯輥宏觀斷口及斷裂位置如圖2所示，失效斷裂部位在主芯輥直徑?320 mm工作區(qū)域靠安裝底部處。整個(gè)斷口面80%左右基本與主芯輥軸安裝底面平行，比較平坦且無(wú)材料本色，四周無(wú)磕碰等缺口現(xiàn)象，斷面可見(jiàn)明顯的漩渦放射花樣，宏觀形貌分析認(rèn)為屬于疲勞斷面，疲勞源在直徑320 mm主芯輥表面，并呈現(xiàn)由為外部向心部延伸。

圖1 主芯輥斷裂位置圖Figure 1 Fracture location of main core roller

圖2 主芯輥宏觀斷口及斷裂位置圖Figure 2 Macro-fracture and fracture positionof main core roller

2 受力分析

從圖2分析可知，Ⅰ區(qū)為缺陷誘發(fā)源區(qū)；Ⅱ區(qū)為缺陷延伸區(qū)；Ⅲ區(qū)為瞬裂區(qū)。從缺口面看，缺陷誘發(fā)源區(qū)占比約20%，缺陷延伸區(qū)占比約20%，瞬裂區(qū)占比約60%。從斷口紋理形貌分析，該斷口屬于圓周徑向方向往復(fù)疲勞應(yīng)力作用所致。

3 化學(xué)成分分析

選取數(shù)控輾環(huán)機(jī)主芯輥斷面進(jìn)行了化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1，斷裂主芯輥材料為5CrNiMo，Si、Mn、Cr、Mo、Ni、P、S等化學(xué)成分符合GB/T 1299—2014標(biāo)準(zhǔn)要求，但內(nèi)部碳含量0.69%超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)范圍(見(jiàn)表1)，該元素超標(biāo)導(dǎo)致按正常熱處理工藝處理后，實(shí)物硬度偏高引起脆性加大，5CrNiMo主芯輥在變工況運(yùn)行下，材料綜合性能大大降低。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition(mass fraction, %)

4 硬度檢查

選擇主芯輥表面區(qū)、Ⅰ裂紋源區(qū)、Ⅱ斷裂擴(kuò)展區(qū)、Ⅲ瞬斷區(qū)各三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行硬度檢測(cè)；標(biāo)準(zhǔn)要求硬度為39～44HRC，實(shí)測(cè)硬度分布：表面41～43HRC，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)硬度在46～49HRC，且硬度從表面到Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)呈遞增分布。正常情況下大截面工件熱處理后硬度分布為從表面到心部逐漸遞減，這主要是由于淬火時(shí)冷卻速度不同等原因所致，此主芯輥與正常調(diào)質(zhì)硬度分布不相符。

圖3 表面及芯部金相組織Figure 3 Metallographic structure of surface and core

5 金相檢驗(yàn)

主芯輥斷口表面取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)的結(jié)果：非金屬夾雜物B2級(jí)，D1.5級(jí)，晶粒度6.0級(jí)，回火索氏體+少量索氏體及鐵素體，組織不均勻，組織偏析較明顯，表面金相組織如圖3(a)所示。

斷口心部取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)的結(jié)果：非金屬夾雜物A2級(jí)，B2級(jí)，D1.5級(jí)，晶粒度3.0級(jí)，珠光體+少量回火索氏體及鐵素體，組織偏析較明顯，心部金相組織如圖3(b)所示。與表面結(jié)果對(duì)比可看出，晶粒度較粗，且?jiàn)A雜物明顯較多，組織偏析現(xiàn)象較突出。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)該5CrNiMo主芯輥宏觀斷口的漩渦放射花樣形貌等疲勞斷裂的典型代表特征，以及瞬裂區(qū)相對(duì)于缺陷誘發(fā)源區(qū)占比大，表明該斷口屬于圓周徑向方向往復(fù)疲勞應(yīng)力作用所致。

(2)從金相組織來(lái)看，主芯輥斷口金相組織不均勻且晶粒粗大，出現(xiàn)了不該有的鐵素體，組織偏析突出，且C含量超標(biāo)導(dǎo)致按正常熱處理工藝處理后主芯輥硬度偏高，降低了材料塑韌性。

(3)從工況來(lái)看，受輾環(huán)制坯料表面波浪度持續(xù)磨損將會(huì)產(chǎn)生微小熱缺陷，形成5CrNiMo主芯輥尖點(diǎn)斷口作用，受到塑性成形瞬間及連續(xù)不均應(yīng)力沖擊時(shí)，加之?320 mm主芯輥在未預(yù)熱前提條件下，受不同材料特性如不同始鍛溫度等交變工況作用，在表面形成“尖點(diǎn)”應(yīng)力集中形成缺陷誘發(fā)源。并且由于冶煉及熱處理控制不當(dāng)?shù)仍蚴沟迷?CrNiMo主芯輥綜合性能差，導(dǎo)致該主芯輥在低于平均使用壽命時(shí)發(fā)生疲勞斷裂。