拖輪軸斷裂原因分析及質(zhì)控建議

摘 要 通過對斷裂的拖輪軸進行應(yīng)力分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析、金相分析、掃描電鏡（SEM）及能譜分析，找出了拖輪軸斷裂的原因并提出了制造過程中的質(zhì)控建議。

關(guān)鍵詞 拖輪軸 斷裂原因 質(zhì)控建議

中圖分類號 TQ051.21 " 文獻標志碼 B " 文章編號 0254?6094（2024）04?0647?08

拖輪軸是一種載荷較大但沖擊不大的軸體，主要作用是緊配合拖輪以承載轉(zhuǎn)動設(shè)備的重量，若其在制造環(huán)節(jié)產(chǎn)生超標夾渣、微裂紋及氫原子未析出等性質(zhì)缺陷，軸的力學(xué)性能將急速下降。在試運轉(zhuǎn)期間由于是空載運行，因此無法發(fā)現(xiàn)拖輪軸的缺陷和故障。但是當(dāng)處于調(diào)試完成、投料使用環(huán)節(jié)時，拖輪軸若發(fā)生故障，其置換成本將成倍增長。為此，筆者通過對斷裂拖輪軸進行全面分析，提出拖輪軸制造過程中質(zhì)量控制的合理化建議，從而提高軸體出廠性能，避免在化工裝置運行期間以高昂的成本更換拖輪軸。

1 拖輪軸現(xiàn)狀

某化工廠?4 700 mm干燥機空載試運行1天后發(fā)生故障，經(jīng)現(xiàn)場工作人員檢查，發(fā)現(xiàn)是干燥機軸段中間部位拖輪軸處發(fā)生了斷裂，具體位置如圖1所示。托輪軸制造資料顯示，該軸材質(zhì)40Cr，轉(zhuǎn)速20 r/min，斷裂處直徑630 mm，調(diào)質(zhì)處理工藝為860 ℃/5 h油冷+510 ℃/10 h空冷。

拖輪軸斷口形貌如圖2所示。

2 拖輪軸應(yīng)力分析

對拖輪軸進行應(yīng)力分析（圖3）后發(fā)現(xiàn)，其斷裂處不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，且不是最大應(yīng)力位置，說明拖輪軸設(shè)計合理。同時，空載試運行過程中發(fā)生斷裂，也排除了拖輪軸受外載荷而斷裂的可能性。

3 試驗（分析）結(jié)果

3.1 宏觀檢查

由圖1、2可以看出，斷口垂直于軸向，整體較平整，無明顯塑性變形，邊緣存在擦傷痕跡。由于拖輪軸斷裂后保護不當(dāng)，導(dǎo)致斷口表面覆蓋有褐色和黑色腐蝕產(chǎn)物，根據(jù)斷口形貌特點將其分為4個典型區(qū)域（圖2）。其中，1區(qū)靠近芯部，該區(qū)域較整體斷口呈凸起形貌，無明顯塑性變形，同時存在一處花枝狀花樣區(qū)域，其形貌不平整，且存在凹坑，為裂紋源區(qū)；2區(qū)為靠近軸邊緣的斷口區(qū)域，該區(qū)域形貌較為平整；3區(qū)及箭頭所示區(qū)域存在放射狀條紋，其收斂處指向1區(qū)，為裂紋擴展區(qū)（圖4a）；4區(qū)為瞬斷區(qū)，且存在二次裂紋，拖輪軸表面可見周向裂紋，長度約130 mm，如圖4b所示。

3.2 化學(xué)成分分析

化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，可以看出，拖輪軸邊緣、1/2R處和芯部的碳含量偏高，均高于標準JB/T 6396—2006《大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件 技術(shù)條件》對40Cr材料的上限要求，其余元素含量符合標準要求。

3.3 力學(xué)性能分析

在拖輪軸1/3R、1/2R和芯部3處平行于軸向的位置上取樣并進行室溫拉伸試驗和沖擊試驗，結(jié)果見表2?？梢钥闯觯?個位置處試樣的抗拉強度、斷后伸長率和斷面收縮率均符合標準JB/T 6396—2006對40Cr材料的要求；1/3R和芯部的沖擊功不滿足標準要求，1/2R處的沖擊功滿足標準要求。

3.4 金相分析

在斷口以下約3 mm處取金相試樣，分別編號為JX1、JX2、JX3，同時在遠離斷裂部位取JX1′（與JX1在同一軸線上），如圖5所示。

JX1′為遠離斷裂部位的試樣，可以看出，其軸表面未見擦傷，距表面約100 μm范圍內(nèi)組織為索氏體+鐵素體，該層以下向芯部過渡區(qū)組織不均勻，為索氏體+鐵素體（局部成網(wǎng)狀沿晶分布），如圖6所示。

JX1試樣取樣于存在明顯擦傷痕跡的軸表面附近，其組織為索氏體+鐵素體及索氏體+鐵素體（局部成網(wǎng)狀沿晶分布），如圖7所示。

JX2、JX3試樣分別取樣于1/2R處和芯部，組織均為索氏體+鐵素體（局部成網(wǎng)狀沿晶分布），但1/2R處的鐵素體含量明顯多于芯部，具體情況如圖8所示。

根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜 物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》可知，金相組織中的夾雜物級別為C0.5e、D1.5、DS1。

3.5 拖輪軸斷口掃描電鏡及能譜分析

3.5.1 掃描電鏡分析

拖輪軸斷口掃描電鏡樣品取樣位置示意圖如圖9所示。

DJ1樣品掃描電鏡（SEM）形貌如圖10所示，可以看到裂紋源區(qū)即花枝狀花樣形貌區(qū)在低倍下呈沿晶開裂形貌，且存在大量的二次裂紋；高倍下可見多個準解理面，準解理面上可見準解理河流條紋，準解理面間存在撕裂嶺，同時存在雞爪狀和微孔形貌，且伴有少量韌窩狀形貌。

由圖11所示的DJ2樣品SEM形貌可以看到，DJ2樣品靠近表面區(qū)域存在擦傷痕跡，但無金屬斷裂特征，呈準解理河流狀花樣，同時存在孔洞形貌。

DJ3樣品取樣于芯部附近，斷口表面存在沿晶、準解理花樣、孔洞及雞爪狀形貌，如圖12所示。

DJ4、DJ5均取樣于二次裂紋面，呈準解理河流狀花樣，DJ5樣品表面以1\"區(qū)為中心呈現(xiàn)出放射狀花樣，1\"區(qū)發(fā)現(xiàn)了超標夾雜，兩樣品的SEM形貌如圖13、14所示。

對近表面軸向未腐蝕金相樣品進行掃描電鏡形貌分析（圖15），可見近表面附近存在大量的夾雜物，且夾雜物尖端明顯可見微裂紋，局部夾雜物形成的裂紋已相連形成臺階狀。

3.5.2 能譜分析

對斷口表面夾雜及拋光態(tài)樣品夾雜進行能譜分析，結(jié)果如圖16、表3所示，可以看出，夾雜物主要為氧化硅、氧化錳、氧化鋁及少量的硫化錳。

4 拖輪軸斷裂原因

根據(jù)第3節(jié)可知，拖輪軸設(shè)計合理，40Cr化學(xué)成分基本符合標準要求，但1/3R處和芯部的沖擊功不滿足標準要求。制造資料表明，拖輪軸經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理，金相分析結(jié)果顯示其外表面組織為回火索氏體，1/2R和芯部組織為回火索氏體+鐵素體（少量成網(wǎng)狀），且存在大量微裂紋，表明其熱處理工藝不當(dāng)。網(wǎng)狀鐵素體的產(chǎn)生原因為拖輪軸在奧氏體化溫度下保溫時間不足，導(dǎo)致鐵素體未完全融入奧氏體，最后以網(wǎng)狀形態(tài)殘留于室溫組織中，降低了晶界強度，使沖擊韌性降低；同時，保溫時間不足導(dǎo)致氫原子無法有效逸出，使氫原子在非金屬夾雜物、晶界、相界及微裂紋處陷落，進而萌生裂紋。

裂紋源區(qū)位于中心部位的花枝狀花樣區(qū)，掃描電鏡對該區(qū)進行形貌分析可見雞爪狀形貌、微孔、沿晶形貌及準解理河流花樣，為氫致開裂的典型特點。

5 結(jié)論及建議

通過對拖輪軸斷裂處進行應(yīng)力分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析、金相分析、掃描電鏡及能譜分析，得到以下結(jié)論：

a. 拖輪軸存在超標夾渣及微裂紋，導(dǎo)致力學(xué)性能下降。

b. 熱處理工藝不當(dāng)，常溫下的網(wǎng)狀鐵素體組織使力學(xué)性能再次降低；大量氫原子在夾渣及微裂紋等部位陷落，萌生裂紋，在試運行過程中快速擴展斷裂。

針對拖輪軸斷裂原因，提出以下質(zhì)控建議：

a. 按照JB/T 6396—2006標準要求控制拖輪軸原材料的夾雜物含量，嚴格執(zhí)行熱處理工藝，不得縮短熱處理的保溫時間，保證氫原子逸出。

b. 機加工過程中，初車后按照設(shè)計要求必須進行超聲波檢測，不允許有微裂紋及超標缺陷存在。

（收稿日期：2023-09-19，修回日期：2024-07-10）