转炉氧枪减速机高速轴断裂失效诊断

李爱军 徐兆春 张文全 王 军

(马钢第一钢轧总厂 安徽马鞍山 243000)

1 概况

2010年2月马钢第一钢轧总厂2#120 t转炉氧枪卷扬减速机在使用过程中发生高速轴断裂事故。为查明该轴失效原因，我们与技术中心检验技术研究所对断裂的减速机轴进行相关检验分析及诊断。

该减速机于2001年安装使用，至今已使用9年，减速机型号为JZQ750型圆柱齿轮减速机，驱动电机65 KW，该高速轴为45#钢锻件，经过调质处理，要求轴硬度HB228-HB250，其它制造流程及详细热处理工艺不明。

2 宏观观察

对所委托的减速机断裂轴进行宏观形貌观察，在轴表面有一条宽18 mm、深5 mm的键槽，该键槽末端由长方形过渡到半圆形，减速机轴的断裂部位位于此过渡区域，同时该轴在断裂处左端具有一定锥度，右端为Φ60的圆柱体，断裂部位位于变截面处，见图1，两断裂面可良好匹配，断口表面覆盖大量铁锈，断口总体比较平坦，有擦伤痕迹，可看到疲劳源、扩展区及最终瞬断区三个区域。在断口面上的细小贝纹线以键槽底部右侧尖角处为圆心向周围扩散，可判断此处为裂纹源，进一步观察可发现该处较为光滑，呈细晶状，有塑性变形痕迹。裂纹扩展区可观察到以疲劳源为中心向四周推进的细小贝纹线，在靠近瞬断区贝纹线由密变疏，表明随着疲劳裂纹的扩展，裂纹扩展速率不断提高，从而形成疲劳裂纹加速扩展区。最终瞬断区面积较小，出现剪切唇，其原始断口形貌已经完全被破坏，但仍可判断为塑性断裂，据此可以认为该轴在使用过程中载荷较低，具有旋转疲劳断裂的特征，属于低应力高周疲劳断裂，并可判断该轴是沿逆时针方向旋转的。

图1 轴伸结构及断裂部位示意图

3 检验内容

3.1 取样

对减速机断裂轴采用线切割分别截取光谱样、硬度及低倍样、拉伸样及金相样进行检验分析，取样示意图如图3所示，其中图2(b)中的1#、2#、3#为金相及扫描式样。

3.2 化学成分检验

采用ARL4460型火花源原子发射光谱仪进行光谱分析，分析结果见表1。检验结果表明该减速机轴材质成分符合优质碳素结构钢GB/T 699-1999标准中的化学成分规定。

图2 断裂轴取样部位示意图

表1 减速机轴化学成分分析

3.3 硬度检验及低倍酸洗观察

对减速机轴的低倍样进行1∶1工业盐酸水溶液热蚀，经观察横断面无明显宏观低倍缺陷，仅有少量中心疏松(图3)。在轴边缘，1/4直径和中心部位分别进行硬度测试，结果分别为 243HB、238HB和247HB，满足技术条件所规定的228HB-250HB的要求，但偏上限。

图3 热酸洗低倍宏观组织

3.4 拉伸力学性能

对式样进行力学拉伸试验，结果见表2。检验结果表明减速机轴的强度和塑性均达到国标GB/T 699-1999要求，但延伸率偏下限。

表2 拉伸力学性能

轴的强度核算:

相关参数:轴头直径为60 mm，高速轴，正反转，工作中偶有冲击载荷，最低转速450 r/min，传递功率65 kw，材质为45钢，单侧有键槽。

因在运行过程中，轴主要承受扭转力，故用转化公式进行核算(略)的结果为τp=37.169MPa。

查机械设计手册，材料45钢，τp选值范围为25 MPa-45 MPa。当弯矩较小或只受扭矩作用÷载荷平稳、无轴向载荷或只有较小的轴向载荷、减速机的低速轴，轴单向旋转时τp取大值，反之应取小值。而此轴的工况下应取小值。由计算数据得低速运转时切向力偏大。

3.5 金相检验

对图2中的金相样进行金相检验分析，经磨制后光片置于显微镜下观察。1#试样(疲劳源，纵向)和2#试样(扩展区，纵向)存在较多的硫化物和氧化铝夹杂，说明材料冶金质量较差，夹杂物评级结果和形貌如表3及图4所示。经4%硝酸酒精腐蚀后，1#、2#试样显微组织如图5所示，均为贝氏体和少量珠光体，且组织不均匀，存在明显的偏析现象。根据技术条件，断裂减速机轴材质为45#钢，并经过调质处理，45#钢属于中碳结构钢，其调质处理可以获得以回火索氏体为主的显微组织，而不是贝氏体+少量珠光体，说明该轴的热处理工艺不当。对偏析区和正常区域的显微硬度测试表明偏析区显微硬度明显高于正常区域，如表4所示。轴表面和心部组织无明显区别，表明该轴未经过渗碳处理或其他表面处理而直接投入使用。对3#试样金相检验结果与此类似。

表3 减速机轴夹杂物检验结果

表4 偏析区和正常区域显微硬度检验结果

图4 1#、2#式样夹杂物形貌

图5 1#、2#式样显微组织

3.6 扫描电镜观察

在断口面截取疲劳源和扩展区进行断口扫描电镜(SEM)分析。疲劳源区形貌如图6(a)、(b)所示。在此区域断口较为平滑，呈瓷质状结构，这是由于疲劳裂纹在该区域扩展速度较慢及裂纹反复张开和闭合而使断面磨光的缘故，并在源区发现二次裂纹。随着疲劳裂纹的扩展，断口由一系列高低不平的台阶所构成，呈现贝纹状，如图(c)、(d)所示。这进一步说明减速机轴断裂是疲劳断裂。

图6 断口微观形貌

4 检验结果分析

检验分析表明该减速机轴材质化学成分符合优质碳素结构钢GB/T 699-1999标准要求。经低倍检验未发现明显的宏观缺陷。根据力学性能及金相组织检验结果，表明减速机轴硬度和强度符合技术要求规定，但偏高。显微组织主要以贝氏体+少量珠光体，而不是经过调质处理所得到的回火索氏体，并且轴外表面没有经过渗碳处理或其他表面处理，表明该减速机轴在热处理时存在工艺不当，与贝氏体相比，回火索氏体具有较好的综合机械性能。同时发现减速机轴材质存在较多的夹杂物和明显的偏析带。夹杂物的存在割裂的基体，并造成应力集中，同时偏析带也易于产生组织应力，促使疲劳裂纹快速扩展。

根据断口的宏观形貌及断裂部位表明该减速机轴经长时间使用，在反复旋转应力作用下，导致了裂纹的萌生，产生疲劳源，由于键槽底部尖角、轴变截面及键槽末端长方形与半圆形过渡区域的应力相互叠加而产生较大的应力集中，在随后的循环载荷作用下微裂纹不断向轴基体内扩展，基体中的夹杂物和偏析现象进一步促使了裂纹的扩展，最终导致减速机轴的断裂。

5 结论

(1)检验结果表明减速机轴化学成分满足国标优质碳素结构钢GB/T 699-1999中关于45#钢的要求。低倍检验轴横断面，未发现明显宏观缺陷，硬度符合技术要求规定。

(2)该减速机轴属于低应力高周疲劳断裂，由于超寿命周期运行过程中键槽底部由于存在较大应力集中是导致疲劳源产生的主要因素，其次轴基体中存在较多的夹杂物和偏析带以及组织缺陷促使了疲劳裂纹的进一步扩展，最终导致齿轮轴的疲劳断裂。

［1］黄华梁，彭文生.机械设计基础(第4版)［M］.北京:高等教育出版社，2007

［2］吴承建等.金属材料学(第2版)［M］.北京:冶金工业出版社，2009