42CrMo主轴断裂原因分析

李晓宏 王晓燕 赵秀峰

(沈阳铸锻工业有限公司，辽宁110142)

42CrMo主轴断裂原因分析

李晓宏 王晓燕 赵秀峰

(沈阳铸锻工业有限公司，辽宁110142)

对断裂的42CrMo钢主轴的化学成分、力学性能、金相组织以及夹杂物进行检验。通过分析，确定了主轴失效的原因。

42CrMo钢；主轴；断裂；组织偏析

破碎机用于矿石的破碎，主轴与锥体衬板装配在一起构成破碎圆锥，是主要工作部分。主轴主要传递动力，并承受着不同大小和形式的载荷的作用，如弯曲、扭转、疲劳、冲击等，因此需要较高的力学性能。此主轴安装运行数个月后突然断裂，远远低于设计使用寿命。因此有必要对断裂轴进行全面分析，找出断裂原因，保证整套装置的安全运行，减少不必要的损失。

1 外观检查和受力分析

1.1 外观检查

主轴材料为42CrMo，单重9892 kg。生产工艺为：钢锭→锻造→退火→粗车→调质→精车。使用过程中在主轴细端距端头约700 mm处出现断裂，如图1所示。

图1 主轴示意图

断口放置一段时间，断面生锈有油污。断面与主轴轴线垂直，圆周清晰可见宽约30 mm淬硬层，1/2断面较平整，无疲劳弧形纹，其余1/2断面有放射花样，如图2所示。

1.2 受力分析

如图2中标注，A区为裂纹源区，B区为裂纹扩展区，C区为瞬间断裂区，属于单向弯曲载荷下的疲劳断口。从断面看，疲劳裂纹扩展区占整个断面面积30%左右，瞬断区占整个断面面积70%左右，扩散纹占比较小且不明显。

图2 断面照片

2 检验分析

2.1 化学成分分析

在断轴上取样进行化学成分分析，分析结果见表1。

表1 化学成分(质量分数，%)

图3 断口表面金相组织

Figure 3 The metallographic structure of fracture surface

图4 断口心部金相组织

Figure 4 The metallographic structure of fracture center

由表1可见，表面化学成分在标准范围之内，而心部C含量严重超出标准成分要求。C含量高造成心部组织随着硬度的升高塑性韧性降低。大轴在使用过程中脆性增大。

2.2 硬度检测

要求硬度228～269HBW，实测硬度分布：表面250～260HBW，断面280～300HBW。硬度从表面到心部沿半径方向呈递增分布。正常情况下大截面工件调质后硬度的分布，是从表面到心部逐渐递减，这主要是由于淬火时冷却速度不同造成的。此断面与正常调质硬度分布不相符。

2.3 力学性能检验

从断轴1/3半径处切取纵向试样，加工成标准的拉伸试样和冲击试样，测定其室温力学性能。对比JB/T 6396—2006，屈服强度、抗拉强度、硬度均超出标准较多，且冲击较低。可以判断此件主轴综合性能差，脆性较大。

2.4 金相检验

断口半径方向距表面15 mm处取样金相检验结果：非金属夹杂物B1.5级，D1.5级，晶粒度7级，回火索氏体+少量索氏体、铁素体，组织不均匀，组织偏析较明显。表面金相组织如图3所示。

断口心部取样金相检验结果：非金属夹杂物A2.0级，B2.5级，D1.0级，晶粒度7级，珠光体+少量回火索氏体+极少量铁素体，组织偏析较明显。心部金相组织如图4所示。与表面结果对比可看出，晶粒度较细，但是夹杂物明显增多增大，组织偏析更加明显。

3 结论

(1)从宏观断口看，裂纹源和裂纹扩展区所占面积较小，说明在过载的状态下产生疲劳断裂，且脆性较大。

(2)近表面处化学成分符合标准，中心部位化学成分超标，调质后硬度高，随着硬度的升高塑性韧性降低。

(3)中心部位化学成分超标、夹杂物较多，组织偏析明显，造成调质后硬度过高，综合力学性能降低，脆性增大。表面磨损产生的缺陷，起到了尖端缺口的作用，受到载荷的作用，缺陷处产生严重的缺口效应，形成较高的局部应力集中，导致主轴断裂。

[1] 何石磊，杜旋，晋帅勇，等. 42CrMo筒体锻件超标缺陷分析与改进措施[J]. 大型铸锻件，2016(3)：31-33.

[2] 王广生. 金属热处理缺陷控制及案例分析实用手册[M]. 北京：机械工业出版社，2012.

编辑 杜青泉

Fracture Reason Analysis of 42CrMo Main Shaft

Li Xiaohong, Wang Xiaoyan, Zhao Xiufeng

The inspections of chemical composition, mechanical property, metallographic structure and inclusions for fractured 42CrMo steel main shaft have been performed. By analyzing, the failure reason of main shaft has been determined.

42CrMo steel; main shaft; fracture; microstructure segregation

2017—01—06

李晓宏(1985—)，女，工程师，主要从事热处理工艺研究与设计工作。

TG115.5

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