浅析高速双螺杆挤出机花键轴断裂失效机理

2020-11-29陈鸿景

科技与创新 2020年8期

陈鸿景

浅析高速双螺杆挤出机花键轴断裂失效机理

陈鸿景

（厦门毅兴行塑胶原料有限公司，福建厦门 361027）

随着我国科技实力不断提高，各种机器被不断发明并应用，其中高速双螺旋杆挤出机逐渐被广泛应用。但是在高速双螺杆挤出机早期运行中，容易出现螺杆轴断裂现象，对此，可通过扫描电镜观察、化学分析及力学性能测试等多种方式有效分析出花键轴断裂原因。下面将对高速双螺杆挤出机花键轴断裂失效机理进行简要阐述。

高速双螺杆挤出机；花键轴断裂；失效机理；断裂原因

高速双螺杆挤出机具有高生产效率等优点，因此在聚合加工中具有重要地位。高速双螺杆挤出机自身结构和材料强度对其正常的运转会产生重要影响。如果企业中大型高速双螺杆挤出机花键轴出现断裂问题，容易导致企业大规模停产，同时使工作人员生命安全受到严重威胁。

1 理化检验及结果

1.1 螺杆轴断口宏观外貌

螺杆轴断为两节，因为螺杆轴两边断口呈现对称结构，可观察尺寸较长一段的部分。经过仔细研究发现，螺杆轴断口较为平整，并且没有任何明显的塑性变形现象，断口的平面和主轴线垂直，具有明显脆弱材料扭断特点[1]。可通过肉眼观察到断口较为明显的疲劳弧线特征。从裂纹扩展现象来看，断口的疲劳源位置主要存在于花键齿的根部且疲劳源不止一个。通过观察发现，在断裂源处形成了人字条纹，由于人字条纹的不断向外延伸，条纹也逐渐变粗。由于疲劳台阶出现在裂纹源区和扩展区中，因此，这说明在疲劳开裂的初始阶段产生的应力较大。

1.2 螺杆轴断口微观外貌

工作人员将断口在产超声波清洗机中反复清洗，其中使用丙酮溶液作为清洗剂，之后应用电子扫描显微镜仔细观察断口微观形貌。经过仔细观察发现，花键齿部的裂纹区域具有明显的放射条纹，同时伴有大量的放射台阶。除此之外，在裂纹区域内还发现一定数量的微孔。通过对裂纹扩展区仔细观察，可以发现其中的裂纹弧线具有连续分布和断续分布两种形式，其中带有台阶的疲劳弧线和裂纹处于平行状态并向前延伸，这种现象充分说明疲劳破坏过程中存在裂纹扩展，而且疲劳辉纹和裂纹的扩展方向处于垂直状态。瞬时断裂区域还存在二次裂纹及河流花样等现象。

1.3 显微组织观察

工作人员将断轴的内部、螺节以及边缘进行取样处理，经过抛光和研磨等方式处理，紧接着使用一定含量的碳酸进行腐蚀处理，最后使用DMM-400型光型显微镜观察样品内部组织结构[2]。通过仔细观察可以发现，花键轴内部的机体组织主要以板条状形态分布，主要组成为低碳马氏体，因此，又称为板条马氏体。关于板条马氏体，其主要特点是具有较好的强度和塑性，但是，从花键芯轴边缘提取的金属式样品组织中发现了针状马氏体。通过观察可以发现，针状马氏体具有硬度高及脆性大等优点，并且晶体粒子直径较小。花键芯轴边缘提取的式样品中之所以会出现针状马氏体，主要原因是花键芯轴表面经过了渗碳处理，采用渗碳处理方式，虽然可以有效提高其硬度和耐磨性，但是也导致了其韧性程度有所降低。结合有关钢件渗碳淬火检验报告可以正确区分花键轴等级，一般而言，评级的结果主要在2级到3级范围内，是为正常评级。螺节处的主要组织为黑色的回火马氏体，经过仔细观察发现，黑色回火马氏体表面分布着一定数量的白色碳化物，其组织形态等级为4级，并且分布也较为均匀。黑色回火马氏体表面存在白色碳化物，使其强度有所降低，脆性增大。高速双螺杆挤出机材料中硬度是关键，但是，如果双螺杆挤出机材料硬度过大，或者是存在体积较大的块状物，很容易导致高速双螺杆挤出机在高速运行时对材料产生较强冲击力，进而导致材料表面容易发生断裂现象。

2 强度校核及花键芯轴的有限元模拟

高速双螺杆挤出机在实际的运行中，主要受到扭转应力作用，此时，花键芯轴将承受冲击作用力和交变弯曲作用力，正因为如此，容易导致局部应力过于集中[3]。要想更好地研究应力集中对螺杆轴断裂失效具体影响，可使用ANSYS有限元软件对螺杆轴断裂失效进行深入探究，以此分析螺杆轴应力集中问题。

应力模拟结果：通过一系列数据运算和几何分析，最终得出重要结论，即局部用力过于集中是导致裂纹开始出现的重要原因。

疲劳强度的校准：螺杆轴在实际工作中主要受到扭转力的影响，结合机械使用手册可以知道，螺杆轴疲劳强度安全系数核对中，应重点考虑受到扭矩作用时产生的安全系数。从有关资料和文献中可以发现，如果螺杆材料组织均匀，载荷情况也不够准确，使用的安全系数应在1.5～1.8之间。通过具体的计算可以发现，螺杆轴的疲劳强度系数要低于螺杆轴的使用安全系数，由此可以得出，螺杆轴花键根部比较薄弱，其疲劳强度无法满足使用要求。

3 断裂原因分析

通过以上简要分析可知，高速双螺杆挤出机螺杆轴出现了扭转疲劳断裂，其主要原因如下：

通过对螺杆轴断口形貌仔细观察可以发现，疲劳裂纹的主要源头在花键齿根部位置。正是因为花键齿根部截面尺寸突然减小，所以容易出现应力过于集中问题。通过采取强度校对的方式检验发现，齿根部的使用安全性能要明显低于疲劳强度安全性能。

通过仔细观察断口疲劳源区，可以发现有大量微孔分布在其表面上，而大量的微孔会导致断口疲劳源区域的应力分布状况发生重要改变，容易发生局部应力过于集中现象[4]。除此之外，大量微孔的聚集会直接影响整体力学性能的稳定性和连续性，表面上大量分布的微孔也容易导致承受力的有效面积逐渐减少。由于微孔边缘应力过于集中，导致疲劳裂纹出现扩张同时不断和前方微孔汇合，这将逐渐加快疲劳裂纹的扩展速度。由于疲劳裂纹逐渐向外扩展，因此，机器材料内部可承受的交变应力逐渐减弱，如果所承受的应力高于实际运转负荷，则发生瞬间断裂。

技术人员将该失效件送往当地技术部门进行检测，通过分析检测结果我们发现，其问题为调质处理淬火裂纹。随后，技术人员对热处理工艺进行了进一步的分析，但是发现包括工件来料装筐、热处理工艺的制订及实施等工艺中不存在问题。随后技术人员对相关部件进行了二次检测，在20 mm× 20 mm×40 mm的裂纹样块中并没有发现有失效件本体、断裂部位和断裂形式，但是，技术人员并没有详细掌握工件实际服役状况。通过与客户进行沟通发现，42CrMo低合金调质钢是该工件所选用的材料，其零件加工的顺序分别为下料、锻造、粗加工、调制。随后将样件分割为两块，再对样件进行经镶嵌、磨制、抛光、浸蚀等处理。这样，就可以肉眼观察到样件断口凹凸不平，并且断口处明显有一层较深的白亮层，通过分析，该亮白层可能是脱碳层。断口处的二次裂纹两侧，被以铁素体组织为主的脱碳层完全包围，裂纹内充满浅灰色的高温氧化产物，说明二次裂纹仍然是在锻造加工过程中形成。主裂纹断口表面堆积大量的高温形成的氧化物，表明锻造加工时加热温度高，裂纹边缘氧化脱碳现象严重，其中全脱碳层较深，半脱碳层较浅。裂纹的次表层镶嵌有较多量的氧化物夹杂，这是由于锻造加工时，裂纹内表层高温氧化形成氧化皮，在锻轧焊合过程中嵌入到次表层而形成。

螺杆轴的基本组织为板条马氏体，这主要是通过调质处理形成，但是在实际的观察中发现了大量的针状马氏体，其组织评级可定为4级，并不是常见的级别。

尽管马氏体具有较高的强度和硬度，但是其塑性和韧性却明显不足[5]。如果螺杆轴的材料调质处理工艺工作没有有效落实，易使螺杆轴材料组织出现不均匀现象，这也是引起螺杆轴发生疲劳断裂的重要内因之一。

4 结论及建议

结论：螺杆轴发生断裂性质以源疲劳断裂为主，疲劳裂纹发生源主要位于花键齿根部；螺杆轴花键齿根局部应力过于集中，内部微孔数量过多以及材料自身不符合要求，存在组织不均匀现象。多种原因共同引起高速双螺杆挤出机花键轴早期出现断裂现象。

建议：如果想有效降低高速双螺杆挤出机花键轴故障率，建议优化螺杆轴的设计结构，可以通过增大过渡圆角等方式，使螺杆轴平面过渡区域的应力大幅度降低，进而有效防止局部区域应力过于集中；提高热处理施工水平，最大程度上降低较为粗大的马氏体组织，有效避免冶金缺陷问题，最终保证螺杆轴材料组织均匀；提升螺杆轴的安装质量、配合度以及精密度，进而有效降低高速双螺杆挤出机高速运转时产生的较强冲击力。