花鍵軸斷裂的失效分析

馬文才

（本鋼板材股份有限公司特殊鋼廠，遼寧本溪 117000）

0 引言

花鍵軸一般用于傳遞扭矩，具有承載能力高、對中導(dǎo)向性好、互換性強(qiáng)、應(yīng)力集中小等優(yōu)點(diǎn)，因而在冶金機(jī)械軋鋼傳動系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。近期某廠對800/650 棒材軋制線進(jìn)行設(shè)備改造后，尚處于功能驗(yàn)收階段的軋鋼機(jī)傳動系統(tǒng)，其一軋機(jī)花鍵軸發(fā)生花鍵斷裂事故，給企業(yè)生產(chǎn)帶來較大影響。為了盡快找出原因，完善改造工程項(xiàng)目，對花鍵軸進(jìn)行了失效分析。通過對斷裂花鍵軸斷口表面宏觀分析，對材料的化學(xué)成分、金相組織、金屬夾雜物、機(jī)械性能、硬度等進(jìn)行微觀探索，找出了花鍵軸斷裂故障的性質(zhì)與原因，提出解決建議。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 花鍵軸表面宏觀檢查

花鍵軸斷裂處位于中段花鍵軸與花鍵套筒配合部位，并非最小軸頸，但屬于扭矩傳動的主要應(yīng)力區(qū)（圖1）。宏觀表面檢查結(jié)果：花鍵表面接觸痕跡為單面接觸，與花鍵軸單向傳動功能相符；用測量儀、塞尺等測量齒型、配合間隙，符合圖紙要求，表明斷裂前沒有發(fā)生配合不當(dāng)或磨損失效等問題。

圖1 花鍵軸齒表面

1.2 斷口檢查分析

花鍵軸斷口較平整，但明顯看出呈星形斷口形貌（圖2）。斷口有明顯疲勞條帶，中心部位存在韌窩，為瞬斷區(qū)。整個斷面呈典型的軸的扭轉(zhuǎn)疲勞斷口特性。斷口靠圓周部位有明顯油水浸入的紋路，應(yīng)為斷裂前產(chǎn)生的疲勞裂紋，也就是疲勞源。

圖2 花鍵軸斷面形貌

1.3 化學(xué)成分分析

應(yīng)用直讀光譜儀分析化學(xué)成分，該花鍵軸的化學(xué)成分符合花鍵軸圖紙要求的40Cr 牌號要求（表1）。

表1 花鍵軸試塊化學(xué)成分 %

1.4 機(jī)械性能及硬度檢查分析

應(yīng)用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)、電子萬能試驗(yàn)機(jī)測試試塊的機(jī)械性能，用洛氏硬度計(jì)檢測試塊的硬度（表2、表3）。結(jié)果表明，花鍵軸的機(jī)械性能滿足GB/T 17107—1999 標(biāo)準(zhǔn)中40Cr 材料熱處理后的性能要求，花鍵軸的硬度值低于圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

表2 花鍵軸機(jī)械性能

表3 花鍵軸試塊硬度 HRC

2 非金屬夾雜物及金相組織分析

應(yīng)用金相顯微鏡觀察斷口及斷口邊緣形貌，花鍵軸試塊非金屬夾雜物為Ds 類1.5 級和A 類細(xì)系0.5 級（圖3、圖4）。

圖3 Ds 類非金屬夾雜物（100×）

圖4 斷口邊緣A 類非金屬夾雜物（100×）

花鍵軸金相組織從表面往芯部依次為：上貝氏體+珠光體、上貝氏體+珠光體+網(wǎng)狀鐵素體、珠光體+網(wǎng)狀鐵素體，組織不符合調(diào)質(zhì)熱處理應(yīng)有的組織狀態(tài)（圖5～圖11）。

圖5 斷口邊緣金相組織（100×）

圖6 金相組織-1（100×）

圖7 金相組織-1（500×）

圖8 金相組織-2（100×）

圖9 金相組織-2（500×）

圖10 金相組織-3（100×）

圖11 金相組織-3（500×）

3 花鍵軸強(qiáng)度校核

3.1 接軸工況

公稱轉(zhuǎn)矩450 kN·m，最大工作擺角5°，極限擺角10°。

3.2 花鍵強(qiáng)度校核

式中 σ——拉應(yīng)力，MPa

T——轉(zhuǎn)矩，N·mm

φ——各齒間載荷不均勻系數(shù)；一般取φ=0.7～0.8，齒數(shù)多時取偏小值

z——花鍵齒數(shù)

h——鍵齒工作高度，mm；矩形花鍵h=（D-d）/（2-2C），C 為倒角尺寸；漸開線花鍵當(dāng)α=30°時h=m，當(dāng)α=37.5°時h=0.9 m，當(dāng)α=45°時h=0.8 m

l——齒的工作（配合）長度，mm

dm——平均圓直徑，mm；矩形花鍵dm=（D+d）/2，漸開線花鍵dm=分度圓直徑

［σ］——許用拉應(yīng)力，MPa；一般取［σ］=80 MPa

該花鍵參數(shù)：T=1450 kN·m，φ=0.8，z=42 齒，h=m（模數(shù)）=8，l=650 mm，dm=D=336 mm。

將以上數(shù)據(jù)代入，計(jì)算得：工作應(yīng)力σ=24.70 MPa；許用接觸應(yīng)力［σ］=80 MPa，滿足使用要求。

3.3 花鍵軸危險(xiǎn)截面剪切強(qiáng)度校核

式中τmax——最大剪切應(yīng)力，MPa

Tmax——最大使用轉(zhuǎn)矩，N·mm

［τ］——許用剪切應(yīng)力，MPa；一般?。郐樱?275 MPa

D——截面直徑，mm

對應(yīng)參數(shù)：Tmax=1450 kN·m，D=Φ320 mm（圖12）。將以上數(shù)據(jù)代入，計(jì)算得：τmax=225.6 MPa，許用應(yīng)力［τ］=275 MPa，滿足使用要求。

圖12 花鍵零件

3.4 理論計(jì)算結(jié)論

花鍵軸的設(shè)計(jì)和外形加工符合要求。

4 結(jié)論

花鍵軸材料40Cr 的正常調(diào)質(zhì)組織應(yīng)為索氏體組織，但實(shí)際檢測結(jié)果為上貝氏體+網(wǎng)狀鐵素體為主，組織不符合調(diào)質(zhì)要求，即為硬度未達(dá)到圖紙要求的原因。金相組織中出現(xiàn)網(wǎng)狀鐵素體，造成工件塑性降低，工件在傳遞扭矩的過程中，表面易產(chǎn)生微裂紋，微裂紋逐漸擴(kuò)展，最終工件扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。出現(xiàn)此種金相組織情況的原因可能為：①淬火溫度未達(dá)到工藝要求；②淬火冷卻速度偏低。

分析結(jié)果表明，花鍵軸疲勞斷裂的原因?yàn)榛ㄦI軸調(diào)質(zhì)不合格所致。