转炉氧枪减速机轴断裂原因分析

苗新亮

摘 要：某厂120吨转炉氧枪减速机高速轴在使用9年时间左右出现断裂现象。检验分析了断轴宏观、微观形貌、化学成分和金相组织以及硬度等进行了检验和分析。经检测可以看出，疲劳是减速机高速轴断裂的主要因素，而金相组织存在缺陷和杂质含量高主要是由于热处理工艺不当造成的，在弯曲旋转作用力下出现疲劳断裂现象。

关键词：减速机轴；疲劳；断裂

前言

120吨转炉氧枪卷扬减速机为某厂大概提供了9年左右的服务时间开始出现高速轴断裂。JZQ750型圆柱齿轮减速机的主要特点就是双输入、单输出型式。直径为60毫米，驱动电机65kW，高速轴为45号钢锻件铸造而成，经过进行调试处理，轴硬度标准为HB228-HB250。而本次实验从宏观和微观形貌、化学成分、金相组织和硬度检测过程中找出了发生断裂的重要因素。

1 断裂轴宏观观察

经过对减速机断裂轴承进行宏观形貌观察，在轴表面发现一条宽17毫米，深5毫米的键槽，该键槽尾部从长方形管过渡到半圆形，而减速机轴的断裂部位正处于过渡区域，与此同时这个轴在断裂左面还存在一个锥度，断裂右边为圆柱体，而断裂部分正好位于横截面出，两个断裂面可以进行良好的结合。断口部分存在着大量铁锈，经过超声波清洗之后断口形貌比较平坦，可明显看出擦伤痕迹，还可以看到疲劳源、扩展区以及瞬断区三个区域。从键槽底部右侧尖角处圆心开始向周围扩散出细小的贝纹线，由此可以判断出此处为裂纹主要源头，并且该部位比较平滑，呈现出细晶状，并伴有轻微塑性变形迹象。该部位也是键槽底部尖角、轴变截面和键槽尾部长方形和半圆形的过渡区域，属于受力叠加比较集中的部位。以疲劳源为中心向四周逐渐推进的细小贝纹线在裂纹扩展区可轻易观察到，在靠近瞬断区的贝纹线从密集逐渐变为疏散型，由此可以看出，随着疲劳裂纹的不断扩展，裂纹扩展速度在逐渐增加，从而形成了疲劳裂纹加速扩展区。最终由于瞬断区域面积较小，产生剪切唇，其最初的断口样式已经完全被破坏，但是仍然能判断出其属于塑性断裂，由此可以看出该轴承在使用过程中荷载比较低，具备旋转疲劳断裂的特点，其属于低应力高周疲劳断裂，还可以判断出该轴在运行过程中处于逆时针方向旋转。

2 检验结果和分析

2.1取样

对减速机断裂轴采用线切割方式，分别截取其光谱样、硬度及低倍样、拉深样和金相样进行检测和分析。

2.2化学成分分析

利用ARL4460型火花源子发射光谱仪进行光谱分析，分析结果如表1所示。通过检验结果可以看出，该减速机轴材质成分符合優质碳素结构钢的化学成分含量标准。

2.3硬度检验及低倍酸洗观察

减速机轴界面的低倍样需要通过1：1工业盐酸水溶液进行热蚀，经观察，横断面没有出现明显的宏观低倍缺陷，只是存在少量的中心松动，在轴边缘，需要对其1/4的直径和中心部位分别进行硬度测试，最终测试结果分别为244、239、248HB，在技术标准所规定的228HB-250HB的要求范围内，但其结果接近上限。

2.4拉伸力学性能

通过检验结果可以看出减速机轴的强度和塑性已经达到了国际GB/T699-1999的要求，但是其延伸率接近最低值，因此具备比较高的屈强性。如表2所示。

2.5金相检验

经过对金相样进行金相检验分析，把经过磨制的光片放在显微镜下进行观察。疲劳源、纵向式样和扩展区、纵向式样之间夹杂着很多的硫化物和氧化铝杂质，说明材料冶金质量非常差。通过4%的硝酸酒精腐蚀以后，疲劳源、纵向式样和扩展区、纵向式样全部为贝氏体和少量珠光体，并且其组织并不均匀，可明显看出偏析现象。根据技术支持，可断定断裂减速机轴材质为45号钢材，并且是经过调质处理的，中碳结构钢中包括45号钢，以回火索式为主的显微组织是通过调质处理得到的，而不是贝氏体+少量珠光体，这一现象说明在对该轴进行热处理工艺过程中操作不当。而偏析区和正常区域的显微硬度测试表明，正常区域的显微硬度明显要低于偏析区。轴表面和心部组织不存在明显差异，因此可以断定该轴没有经过渗碳处理或者是其他方式的表面处理技术，而是直接投入使用。如表2所示。

3 扫描电镜观察

扫描电镜分析主要用于断口面的疲劳源和扩展区域。疲劳源区域断口比较平滑，呈现出瓷质状结构，形成这种现象的主要因素因为疲劳裂纹在这个区域的扩散速度比较慢，然后裂纹在反复张开和闭合的状态下将断面打磨平滑，并且在根源区发现了二次裂纹现象。随着疲劳裂纹的不断扩散，一系列高低不平的台阶组成了断口，呈现出贝纹形状，这可以进一步证明减速机轴断裂属于疲劳断裂。

4 讨论分析

经过对该减速机轴材质化学成分进行检验分析表明，其符合优质碳素结构钢GB/T699-1999标准要求。在低倍检验过程中没有发现明显的宏观缺陷。根据力学性能及金相组织检验结果可以看出，减速机轴硬度和强度符合技术要求但其与标准规定相比，处于偏高状态。显微组织以贝氏体+少量珠光体为主，并不是经过调质处理所获得的回火索式体，而且轴外表面并没有经过渗碳处理或者是其他表面处理技术，因此可以得出在对该减速机轴进行热处理过程中工艺不达标，回火索氏体和贝氏体对比而言，回火索氏体的综合机械性能更强一些。与此同时还可以看出减速机轴材质存在非常多的杂质以及明显的偏析带。基体出现割裂现象主要是由于其中含有杂质造成的，还导致应力比较集中，同时偏析带也非常容易出现组织应力，以此来促进疲劳裂纹快速扩散。减速机轴经过长时间使用主要是根据断口的宏观形貌和断裂部位来判断，在反复旋转应力的作用下，产生了裂纹，导致出现了疲劳源，由于键槽底部尖角、键槽尾部长方形和半圆过渡区域和轴变界面的应力相互叠加而出现了大量应力集中现象，在后期循环载荷作用下微裂纹不断向轴基体内开始扩散，而促进裂纹进一步扩散的主要原因就是基体中的夹杂物和偏析现象，最终导致减速机轴出现断裂现象。

结语

经过检验结果表明减速机轴中所含化学成分符合国标优质碳素结构钢GB/T699-1999中45号钢材的标准。经过对轴横断面进行低倍检验，没有发现其存在明显宏观缺陷，因此硬度符合技术标准。而该减速机轴属于低应力高周疲劳断裂，造成出现疲劳源的主要因素是因为中键槽底部在长期使用过程中应力比较集中，而且轴基体中存在很多的杂质和偏析带以及组织缺陷推动了疲劳裂纹的进一步扩散，最终造成齿轮轴出现疲劳断裂现象。

参考文献

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（作者单位：唐钢第一钢轧厂）