軋機(jī)軸承座鍵套斷裂失效原因分析

王曉峰 ，胡筱旋 ，楊靜 ，趙寶純 ，黃磊 ，2，鐘莉莉 ，2

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114009）

軋機(jī)軸承座鍵套是套在軸與軋輥連接處外面的圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)件，是軋機(jī)中不可缺少的部件，而其鍵套的斷裂會導(dǎo)致連接處軸的移位、脫落等失效，最終使軋機(jī)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而發(fā)生嚴(yán)重事故。引起軸承座鍵套斷裂的原因很多，既可能是零部件的本身質(zhì)量缺陷，也可能是外部因素的影響。某鋼廠BD軋機(jī)傳動(dòng)側(cè)軸承座鍵套對稱位置發(fā)生斷裂，該鍵套設(shè)計(jì)材質(zhì)為42CrMo鋼［1］，在線使用壽命僅 10 h，導(dǎo)致生產(chǎn)不能正常進(jìn)行。因此，本文在失效鍵套上取樣進(jìn)行組織檢驗(yàn)，分析軸承座鍵套斷裂原因。

1 檢驗(yàn)設(shè)備及方法

采用掃描電子顯微鏡對失效鍵套的斷口進(jìn)行形貌觀察與分析。從軋機(jī)軸承座鍵套斷口附近切取試樣進(jìn)行拋光，經(jīng)4% HNO3酒精溶液腐蝕后，用ZEISS200 MAT光學(xué)顯微鏡觀察其組織。軸承座鍵套的化學(xué)成分采用化學(xué)粉末法進(jìn)行分析。

2 鍵套斷裂原因分析

2.1 化學(xué)成分分析

鍵套材質(zhì)為德國鋼牌號42CrMo4V，對應(yīng)的中國牌號為42CrMo，對鍵套化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表1所示。由表1可見，其化學(xué)成分符合原設(shè)計(jì)GB/T3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中42CrMo材質(zhì)的成分要求。

表1 鍵套的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Compositions in Bushing(Mass Faction) %

2.2 顯微硬度及力學(xué)性能分析

對試樣進(jìn)行顯微硬度及力學(xué)性能檢測，并與設(shè)計(jì)要求的參數(shù)對比，結(jié)果見表2。由表2可知，顯微硬度及抗拉強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，但其室溫沖擊功明顯偏低。

表2 試樣顯微硬度及力學(xué)檢測性能Table 2 Mcrohardness and Mechanical Properties of Samples in Test

2.3 斷口形貌分析

2.3.1 宏觀形貌

鍵套斷裂部位在螺紋孔處位置，斷裂成兩半，螺孔處斷口面較平直，呈灰亮色，具有脆性斷口形貌特征。觀察斷口面形貌可確定，斷裂是從螺孔一端螺紋處起始，向另一端外邊部輻射擴(kuò)展，最終導(dǎo)致完全斷裂，斷裂鍵套圖片及斷口表面宏觀形貌圖片分別見圖1、圖2。其中，孔處為斷裂起源。

圖1 斷裂鍵套宏觀形貌Fig.1 Macroscopic Appearance of Fractured Bushing

圖2 斷裂鍵套斷口表面宏觀形貌Fig.2 Macroscopic Appearance of Fracture Surface of Fractured Bushing

2.3.2 掃描電鏡微觀形貌

將兩處斷口試樣分別在掃描電鏡下觀察，螺紋處斷面大部分為解理微觀形貌特征，局部區(qū)域微觀呈沿晶斷裂形貌特征（見圖3），螺孔相對側(cè)斷口近表面處局部可觀察到少量的沿晶斷裂微觀形貌（見圖4）。試樣起裂源位于螺紋處，有較少的疲勞裂紋，斷裂時(shí)形成大面積的脆性擴(kuò)展斷裂區(qū)［2］，表明疲勞斷裂特征不明顯，在斷裂失效時(shí)受到了較大的應(yīng)力作用，呈低周高應(yīng)力疲勞斷裂特征。

圖3 螺紋處斷口試樣微觀形貌特征Fig.3 Microscopic Appearance Characteristics of Fracture Samples at Thread

圖4 螺孔相對側(cè)斷口試樣微觀形貌特征Fig.4 Microscopic Appearance Characteristics of Fracture Samples on Opposite Sides of Screw Holes

2.4 金相分析

圖5 為試樣組織形貌。在鍵套斷口位置附近試樣基體邊部組織以貝氏體為主，心部局部位置形成馬氏體組織偏析帶。馬氏體組織偏析帶的存在破壞了基體的連續(xù)性，降低了基體的力學(xué)性能。觀察缺陷處組織形貌，起裂螺孔處表面有滲氮層，存在白亮層ε相［3］，其附近位置處馬氏體組織較多。相對一側(cè)斷口及裂紋處試樣截面上可以觀察到裂紋擴(kuò)展呈折線狀，尖端較尖銳，具有應(yīng)力開裂特征，斷口缺陷組織形貌見圖6。因試樣經(jīng)過滲氮處理，按GB/T 11354—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，采用硬度法對試樣滲氮層深度進(jìn)行測定，表面滲氮層深度約為0.57 mm，螺孔內(nèi)滲氮層深度約為0.51 mm。滲氮層深度符合設(shè)計(jì)要求0.4～0.6 mm，但螺孔螺紋處未能按設(shè)計(jì)要求避免氮化處理，使螺紋處硬度較高［4］，在工作過程中此處受力較大，產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此容易形成裂紋源。

圖5 試樣組織形貌Fig.5 Microstructure Appearance of Samples

圖6 斷口缺陷組織形貌Fig.6 Appearance of Microstructures in Fracture Defect

3 分析與討論

軋機(jī)軸承座是軋機(jī)中不可缺少的構(gòu)件。軸承座用于支撐軸承，固定軸承外圈，僅讓內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，而鍵套是套在軸與軋輥連接處外面的圓環(huán)狀構(gòu)件，通過螺栓對其進(jìn)行加強(qiáng)固定的，從而使軋機(jī)軸承座與軋機(jī)軸承之間的連接穩(wěn)定而牢固。鍵套在工作時(shí)主要受到磨削力和沖擊力等作用，因此起到固定作用的螺孔位置處在工作中會受到較大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

42CrMo鋼是一種應(yīng)用廣泛的高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼［5］，失效鍵套化學(xué)成分符合合金結(jié)構(gòu)鋼［6］中的成分規(guī)定。這種鋼通常采用加工成型后，通過調(diào)質(zhì)熱處理（淬火及高溫回火熱處理)或淬火處理等工藝獲得回火索氏體或貝氏體等組織，從而得到符合使用性能要求的材料。本文中失效鍵套的基體顯微組織為貝氏體+少量馬氏體，在其表面及螺孔表面處存在滲氮層組織，這種組織造成鍵套力學(xué)性能明顯降低，形成零件本身質(zhì)量的缺陷。為了增加失效鍵套工作接觸面的耐磨性，對鍵套進(jìn)行了滲氮處理，但因其滲氮層具有脆性裂紋敏感性，所以對于受扭轉(zhuǎn)拉應(yīng)力的螺孔螺紋位置，則要完全避免其滲氮的發(fā)生，而失效鍵套在其位置處則形成了滲氮層，這就使其工作時(shí)在扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的不斷作用下［6］，鍵套高應(yīng)力區(qū)域的螺孔螺紋處易形成裂紋源，產(chǎn)生最初的開裂。另外，鍵套基體組織中局部馬氏體的形成表明失效鍵套熱處理加工不均勻，局部冷速過快，而馬氏體組織的形成導(dǎo)致韌塑性下降，并在開裂過程中成為裂紋易于擴(kuò)展的通道，對鍵套的最終斷裂起加速作用。

軋機(jī)鍵套要求在盡可能耐磨的情況下，保證其具有足夠的剛度和強(qiáng)度，控制其熱處理等工藝是其生產(chǎn)加工的關(guān)鍵，要使其零件表面耐磨，且基體組織強(qiáng)化達(dá)到最佳效果。生產(chǎn)時(shí)由于工藝參數(shù)波動(dòng)，有可能發(fā)生個(gè)別鍵套零件組織不佳，這就要求按零件在工作中不同部位的使用性能需求差異性，設(shè)計(jì)合理的熱處理工藝方案，如對零件進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理、滲氮處理等，以獲得符合性能要求的零件。在加工時(shí)嚴(yán)格按照工藝規(guī)定，使零件受熱和冷卻均勻，以增加組織的均勻性，避免組織偏析［7］；滲氮時(shí)對高應(yīng)力區(qū)要求避免滲氮的部位嚴(yán)格做好防滲氮的保護(hù)［8］，從而減少微裂紋缺陷的產(chǎn)生。改進(jìn)后，通過對鍵套滲氮處理中螺孔螺紋高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行嚴(yán)格防滲氮保護(hù)，增強(qiáng)零件熱處理充分性，減少馬氏體組織產(chǎn)生，可以明顯提高材料的力學(xué)性能，提高構(gòu)件的使用壽命。

4 結(jié)論

（1）失效鍵套的斷裂起源于螺孔一端螺紋處，螺紋處有明顯的滲氮層，且表面硬度較高，裂紋敏感脆性增加，在工作過程中受力較大應(yīng)力集中時(shí)，易形成微裂紋源。試樣基體組織主要為貝氏體，局部組織存在馬氏體偏析，組織連續(xù)性遭到破壞，試樣力學(xué)性能降低，斷裂時(shí)加速裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致其斷裂。

（2）滲氮處理可增加零件表面的耐磨性，但同時(shí)也加劇了其脆性裂紋敏感性，因此在材料高應(yīng)力部位要嚴(yán)格進(jìn)行防滲氮的保護(hù)。在此基礎(chǔ)上，通過對鍵套生產(chǎn)的熱處理工藝進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，盡可能減少組織中馬氏體，增加組織均勻性，可大大提高材料基體的強(qiáng)韌性能，使其斷裂次品率大幅降低，產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高。