烧结制粒机滚圈裂纹原因分析

冉 铁，张 琦

（四川省达州钢铁集团有限责任公司）

1 引言

我公司的烧结制粒机（尺寸为φ4 200mm×22 000mm），于2010年9月15日投入试生产，在2012年1月10日的检修过程中发现在滚圈上出现较多裂纹。此滚圈的基本信息是：材质为35钢，单重为28 230kg，外径为4 760mm，内径为4 200mm，壁厚250mm，宽度为1 160mm，要求为整体锻造。

2 检验

2．1 宏观分析

在滚圈表面可见很多裂纹存在，裂纹均大致沿着滚圈纵向（宽度方向）分布，并不平直，有些长约半个滚圈宽度，有些长为整个滚圈宽度，见图1。滚圈表面存在聚集分布的凹坑，见图2，大部分裂纹与凹坑并存，见图3、4。

2．2 化学成分

取滚圈开裂部位样块进行化学成分复查，为避免取样误差，取双样检测，检测结果如表1所示。可以看出，滚圈化学成分与国家标准规定的35钢的成分差别很大，含碳量很低，低于0．10%，Si、Mn含量也高于国家标准要求的上限值。

图1 滚圈宏观形貌，表面可见很多裂纹

图2 表面聚集分布的凹坑

图3 表面聚集分布的裂纹与凹坑

图4 表面聚集分布的凹坑与裂纹

2．3 硬度测试

取滚圈样块进行硬度测试，结果如表2所示。可以看出，滚圈心部的硬度平均值为160HBS，表面的硬度平均值为226HBS，表面的硬度高于心部的硬度。

表1 化学成分（wt%）

表2 硬度测试值

2．4 非金属夹杂物

取滚圈开裂部位样块进行非金属夹杂物判别，根据GB／T 10561－2005进行测定和评级，材料中的非金属夹杂物为：球状氧化物，级别为大于3级。非金属夹杂物形貌如图5、6所示。

2．5 低倍酸浸试验

取滚圈开裂部位的样块，按照GB 226－1991“钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法”进行低倍酸浸试验，结果如图7所示。可以看出，材料中未见较严重的低倍缺陷，但有带状特征（图中箭头所示为带状方向），分析认为，该带状特征与滚圈经过了锻造工艺加工有关。

图5 非金属夹杂物 ×100

图6 非金属夹杂物 ×400

2．6 金相组织

取滚圈开裂部位样块进行金相组织判别。金相试样经过腐蚀后，肉眼可见试样表面明亮程度不一，如图8所示。进一步观察发现，图8中灰暗的弧形区域的金相组织如图9、10所示，为等轴状晶粒，而图8中闪亮状块状区域的金相组织如图12、13所示，为长条状晶粒，图11为二者的交界处。分析认为，形成等轴状晶粒与长条状晶粒共存的情况可能与锻造有关。

图7 低倍酸浸后的形貌

图8 金相试样经过腐蚀后表面明亮程度不一

图9 图8中灰暗的弧形区域为细小的等轴晶粒 ×100

图10 细小的等轴晶粒 ×400

图11 等轴晶粒与长条晶粒交界处，线条标记为交界 ×100

图12 长条晶粒交界 ×100

2．7 断口形貌

将图5中开裂部位通过机械加工的办法截取后，打开发现如图14所示，可见：

（1）图5中滚圈表面的裂纹虽然未贯穿，但打开后内部断口光亮，磨损严重，见图14。

（2）断口上有一个凸台，该处左右两侧的纹路均从此处向外发散，这说明凸台为裂纹源，见图14。

图13 长条晶粒 ×100

图14 断口磨损严重

3 分析与讨论

3．1 滚圈质量

从低倍酸酸浸试验（图7）和金相试样腐蚀后的宏观形貌（图8）看，材料中存在带状特征和较明显的变形痕迹，分析认为，这与滚圈经过了锻造工艺加工有关。

滚圈化学成分与国家标准规定的35钢的化学成分差别很大（见表1），含碳量很低，低于0．10%，Si、Mn含量也高于国家标准要求的上限值，即原材料成分有误。

滚圈中非金属夹杂物为球状氧化物，级别高于GB／T 10561－2005中的最高级别3级。

3．2 滚圈开裂方式

在滚圈表面可见很多裂纹存在，裂纹均大致沿着滚圈纵向（宽度方向）分布，并不平直，有些长约半个滚圈宽度，有些长为整个滚圈宽度（图1）。裂纹打开后内部断口光亮，磨损严重（图14）。断口上有一个凸台，该处左右两侧的纹路均从凸台处向外发散，这说明凸台为裂纹源（图14）。分析认为，这种凸台裂纹源的存在，以及滚圈表面聚集凹坑的存在（图2），还有大部分裂纹与凹坑并存（图3、4）的情形，均符合“接触疲劳”开裂方式的特征。

3．3 关于接触疲劳

对于接触疲劳而言，往往其表面存在很大的应力场，首先从接触表面以下的最大交变切应力处的薄弱处（如夹杂物处）产生显微裂纹，这是接触疲劳的疲劳源或裂纹生核阶段。浅表层裂纹斜向表面扩展，当与表面相连时，被裂纹包围的金属块就会产生剥离，形成不同的剥落形状，视程度不同可为点状（如点蚀或麻点剥落），也可为小片状（浅层剥落），还可随着剥落面的逐渐扩大，而向深层扩展，形成深层剥落。综上所述，接触疲劳剥落经历了裂纹萌生—裂纹扩展—裂纹连接—剥离脱落几个过程。

3．4 开裂原因与过程

从开裂滚圈看，原材料成分有误，含碳量太低，不符合GB699－1999“优质碳素结构钢”对35钢的成分规定，造成材料强度低，再加上材料中夹杂物级别高（超过GB10561－2005“钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法”的最高级，即3级）。因此，当滚圈工作时，由于表面受到强大的压应力和切应力，滚圈从表层或次表层的最大交变切应力处（特别是夹杂物聚集分布处）开始产生裂纹，再扩展至表面造成片状或块状剥落，随后以剥落处为裂纹源，逐渐向壁厚方向扩展，形成深层次的裂纹，即产生图1～4中肉眼可见的大尺寸裂纹。

4 结论

（1）滚圈的化学成分不符合GB／T699对35钢的成分规定，以及夹杂物级别太高是滚圈开裂的主要原因。

（2）滚圈的开裂为“接触疲劳”开裂方式。