水泵叶轮轴断裂原因

杜佳美

(中天钢铁集团有限公司, 常州 213011)

轴主要用来支承传动零部件,起到传递扭矩和承受载荷的作用,在机器中用来支承齿轮、带轮等传动零件,以传递转矩。轴的突然断裂严重影响着机组的安全运行,研究轴的断裂原因对保证其生产安全、可靠运行具有非常重要的实际意义[1]。

某公司生产的某批次水泵叶轮轴在服役半年左右发生多次断裂,远没有达到设计使用年限要求,该叶轮轴材料为40Cr钢,型号为HS250-200-650A,生产工艺为调质→机械加工(包括粗加工及精加工)→装配。

笔者采用宏观观察、化学成分分析、低倍检验、扫描电镜(SEM)分析、金相检验、硬度测试等方法分析其断裂原因,以防止该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

水泵及叶轮轴断裂位置附近宏观形貌如图1所示,拆卸后的断裂叶轮轴宏观形貌如图2所示,现场使用火焰切割方式取样。从现场取回的断裂叶轮轴宏观形貌如图3所示,该轴表面质量较好,没有发现明显的车刀痕等加工缺陷。

图1 水泵及叶轮轴断裂位置附近宏观形貌

图2 拆卸后的断裂叶轮轴宏观形貌

图3 从现场取回的断裂叶轮轴宏观形貌

叶轮轴断裂位置为轴承内套圈附近,该处轴直径为65 mm,断口较为平整,断面基本与轴向垂直,没有明显的塑性变形,断面有轻微磨损痕迹,未发现其他冶金缺陷。断面分为3个区域,即起裂区、裂纹扩展区和瞬断区[2-3],断裂起源于轴外表面工艺退刀槽处,外表面台阶处为断裂源,断裂性质为多源扭转疲劳断裂(见图4)。

图4 断裂叶轮轴断面宏观形貌

1.2 化学成分分析

在断裂叶轮轴上截取试样,使用直读光谱仪进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知:该断裂叶轮轴的化学成分符合GB/T 3077—2015 《合金结构钢》对40Cr优质钢的要求。

表1 断裂叶轮轴的化学成分分析结果 %

1.3 扫描电镜分析

对叶轮轴断口进行扫描电镜分析,发现断裂源处主要呈韧窝形貌,属于脆性断裂;裂纹扩展区所占面积较大,向内呈放射状,主要以解理形貌为主,也存在少量的韧窝形貌以及二次裂纹(见图5);瞬断区颜色呈金属光亮色,且呈明显撕裂状态,位于起裂区对侧。

图5 断裂叶轮轴起裂区与裂纹扩展区SEM形貌

1.4 低倍检验

在叶轮轴附近截取横向全截面试样,按GB/T 226—2015 《钢的低倍组织及缺陷腐蚀检验法》对试样进行酸蚀后,其低倍形貌如图6所示,按GB/T 1979—2001 《结构钢低倍组织缺陷评级图》进行低倍组织缺陷评级,结果如表2所示,未发现较严重的低倍缺陷,满足GB/T 3077—2015对40Cr优质钢酸浸低倍组织合格级别的规定。

表2 叶轮轴低倍组织缺陷评级结果 级

图6 断裂叶轮轴全截面试样低倍形貌

1.5 金相检验及硬度测试

在断裂叶轮轴试样断口处截取金相试样,将试样置于光学显微镜下观察,结果如图7～9所示,由图7～9可知:断裂源附近组织为贝氏体+珠光体+铁素体,轴表面淬硬层组织为贝氏体+少量回火索氏体。

图7 断裂叶轮轴试样断口处纵向微观形貌

图8 断裂叶轮轴试样断裂源附近纵向微观形貌

图9 断裂叶轮轴表面淬硬层微观形貌

取叶轮轴断裂试样截面进行维氏硬度测试,轴表面淬硬层维氏硬度约为285 HV,基体维氏硬度约为245 HV。

2 综合分析

该批次叶轮轴运转时发生多次断裂,而之前批次和更换其他批次叶轮轴后均没有发生断裂问题,说明该批次叶轮轴断裂可能与轴的质量存在一定关系。叶轮轴运行过程中主要承受扭转力作用,轴的表面所受的扭转力最大,如轴表面存在加工缺陷或较大的截面尺寸变化(如退刀槽处、不同截面直径过渡区等),在这些区域都会产生较为严重的应力集中,这些区域为易发生疲劳开裂的区域。由断口分析可知:叶轮轴表面质量较好,没有发现明显的车刀痕等加工缺陷。叶轮轴断裂发生在轴承内套圈附近位置,断裂起源于轴端密封侧工艺退刀槽处,该位置截面尺寸变小,局部应力高于平均应力[4-5],使得有效应力的集中系数增大,在泵工作时,该处一直承受着较大的扭转应力,外表面台阶处为断裂源,属于多源扭转疲劳断裂,多源疲劳断裂的各个裂纹源不是在同一平面上,伴随着裂纹的扩展,裂纹连接时,在不同平面之间的连接处形成台阶、折纹等印记,台阶越多,表示材料所受的应力或应力集中程度越大,疲劳源的数目越多,证明叶轮轴断裂性质属于疲劳断裂。

由金相检验及硬度测试可知:叶轮轴经调质处理(淬火+高温回火)后应得到回火索氏体组织[6-7]。该叶轮轴断裂试样断裂源附近组织为贝氏体+珠光体+铁素体,轴表面淬硬层组织为贝氏体。轴表面淬硬层维氏硬度约为285 HV,基体维氏硬度约为245 HV,说明叶轮轴生产加工时的热处理(调质)效果不佳, 正常调质后40Cr钢的强度及韧性高,为回火索氏体组织,但该轴表层产生了大量脆性较大且硬度(强度)较低的贝氏体组织,回火索氏体的含量非常少,导致轴表面强度不足,在调质工艺的淬火过程中,由于淬火温度偏低或冷却速率过慢,组织未充分奥氏体化,出现未溶解的铁素体或贝氏体组织,因此断定热处理工艺存在问题。加上表面淬硬层(贝氏体层)深度过浅,工艺退刀槽几乎将淬硬层全部车削掉,使扭转应力最为集中的工艺退刀槽处的表层组织为贝氏体+珠光体+铁素体,其强度进一步下降。

3 结论及建议

该水泵叶轮轴断裂性质为疲劳断裂,在制造过程中的热处理工艺欠佳,使轴表面硬度及强度很低,受较大扭转力时容易在表面形成疲劳裂纹,并随着裂纹扩展叶轮轴最终发生断裂。建议严格控制热处理工艺,保证叶轮轴材料的显微组织符合要求并具有良好的综合力学性能,提高工艺退刀槽的加工精度,减小应力集中程度。