王 洋,王培科,孫 萌

(西安煤礦機(jī)械有限公司,西安 ７１００３２)

摘 要:利用宏觀檢驗(yàn)、磁粉探傷、化學(xué)成分分析、金相以及硬度檢驗(yàn)等方法對(duì)某采煤機(jī)搖臂惰輪的疲勞斷裂進(jìn)行了失效分析,確定了疲勞源微裂紋產(chǎn)生的原因.結(jié)果表明:惰輪在加工完成后的返修過程中擋圈槽處產(chǎn)生了切削微裂紋,微裂紋在搖臂惰輪工作時(shí)的交變載荷作用下不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致惰輪疲勞斷裂.

關(guān)鍵詞:惰輪;疲勞斷裂;返修;切削裂紋;失效分析某礦采 煤 機(jī) 僅 使 用 一 周,其 搖 臂 即 出 現(xiàn) 異 常而無法正常工作.經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析初步判定為齒輪減速機(jī)構(gòu)失效,拆 開 搖 臂 后 檢 查 發(fā) 現(xiàn) 搖 臂 惰 輪 斷 裂并分離為 數(shù) 塊.從 多 年 失 效 統(tǒng) 計(jì) 來 看,采 煤 機(jī) 齒輪失效形 式 主 要 為 斷 齒、齒 面 點(diǎn) 蝕、齒 變 形 等,而斷裂并 分 離 為 數(shù) 塊 尚 屬 首 例. 該 惰 輪 生 產(chǎn) 過 程

為:下 料 → 鍛 造 → 正 火 (９２０ ℃)＋ 高 溫 回 火(６５０ ℃)→ 機(jī) 加 工 (滾 齒 ＋ 車 擋 圈 槽 )→ 滲 碳(９３０ ℃)→高 溫 回 火(６５０ ℃)→ 淬 火(８１０ ℃)→低溫回火(２００ ℃)→磨齒及孔內(nèi)壁.惰輪技術(shù)要求為:滲碳層深度２．５~３．０mm,表面硬度５８．０~６２．０HRC,心部硬度３８．０~４４．０ HRC.筆者對(duì)該斷裂惰輪進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析,以查明其斷裂原因,并采取措施避免類似失效的再發(fā)生.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 宏觀檢驗(yàn)

惰輪沿縱向斷裂成數(shù)塊,內(nèi)壁表面局部發(fā)黑,有竄動(dòng)再次回火的痕跡,如圖１所示.每塊斷口均呈典型的疲勞斷裂特征[１],疲勞源位于惰輪內(nèi)壁擋圈槽處,疲勞擴(kuò)展區(qū)貝紋線清晰,瞬斷區(qū)呈過載斷裂特征,有明顯的撕裂棱和放射花樣,如圖２所示.

經(jīng)磁粉探傷發(fā)現(xiàn),惰輪擋圈槽內(nèi)存在大量縱向微裂紋,長１．９~２．１ mm,惰輪內(nèi)壁存在縱向裂紋,其由擋圈槽處的微裂紋擴(kuò)展而來,如圖３所示.

１．２ 化學(xué)成分分析

從斷裂惰輪上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表１,根據(jù)分析結(jié)果判定惰輪材料為１８Cr２Ni４W 鋼,且其化學(xué)成分符合 GB/T３０７７－２０１５技術(shù)要求.

１．３ 金相及硬度檢驗(yàn)

對(duì)惰輪斷口的疲勞源進(jìn)行解剖,發(fā)現(xiàn)疲勞源處存在微裂紋,如圖４所示,可見擋圈槽表面有０．０５mm厚的擠壓變形未回火淬火層,其硬度為７２７HV,次表層硬度為５２８HV,表層組織無未淬透的屈氏體存在,微裂紋從淬火層的表面起裂,穿晶擴(kuò)展,裂紋深度為０．０５~１．６５mm,未發(fā)現(xiàn)存在冶金缺陷.

疲勞源附近擋圈槽表面有明顯的刀具加工痕跡,如圖５所示,可見擋圈槽表面部分碳化層已被加工掉,剩余滲碳層深度為２．５mm.對(duì)未磨齒頂進(jìn)行解剖,其滲碳層深度為２．７mm,表面有０．２mm 厚的碳化物層,其中碳化物呈角塊狀與半網(wǎng)狀,如圖６所示,再次佐證了疲勞源區(qū)表面即擋圈槽處被二次車削過.

２ 綜合分析

斷裂惰輪的材料、硬度、滲碳層深度均符合技術(shù)要求.惰輪的斷裂呈典型的疲勞斷裂,疲勞源位于內(nèi)壁擋圈槽處,金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)疲勞源處存在多條微裂紋.微裂紋較淺,均位于擠壓變形未回火淬火層內(nèi),深約０．０５mm,微裂紋兩邊均無脫碳與增碳,表層組織無未淬透的屈氏體存在,由此可見此微裂紋產(chǎn)生于熱處理之后.

擋 圈 槽 處 所 安 裝 擋 圈 的 硬 度 為 ４４．０ ~５１．０HRC,只起到隔離軸承的作用,不承受荷載,而擋圈槽表面硬度大于５８．０HRC,故擋圈不會(huì)對(duì)擋圈槽處產(chǎn)生磨削,更不會(huì)磨去表層的碳化物層,由此可見此微裂紋產(chǎn)生于惰輪使用之前.

由惰輪加工路線可知擋圈槽是在滲碳淬火前加工完成的,熱處理之后不再進(jìn)行機(jī)加工;然而從槽表面存在擠壓變形的未回火淬火層及加工刀痕可以推斷惰輪槽經(jīng)過了車削返修,而微裂紋恰好產(chǎn)生于此次車削返修過程中.從擋圈槽表面的粗刀痕可以看出,由于擋圈槽表面硬度較高,不易切削,車削返修加工時(shí)的摩擦阻力較大,因此會(huì)瞬時(shí)產(chǎn)生高溫使槽表面奧氏體化;在冷卻液冷卻過程中表面迅速收縮,而１８Cr２Ni４W 鋼的導(dǎo)熱性差,次表層來不及收縮,使擋圈槽表面產(chǎn)生拉應(yīng)力,同時(shí)半網(wǎng)狀與角塊狀的碳化物割裂了金屬材料的連續(xù)性[２Ｇ４],從而產(chǎn)生了縱向微裂紋.微裂紋作為疲勞源使得疲勞斷裂不需要經(jīng)過疲勞裂紋萌生期而直接進(jìn)入疲勞裂紋擴(kuò)展階段,極大縮短了零件的疲勞壽命[５],造成了此次惰輪的早期失效.

擋圈槽車削返修的根本原因可能是惰輪熱處理后槽變形或者原有槽未加工到位,惰輪擋圈槽是在滲碳以前就加工好的,經(jīng)滲碳淬火后易變形增大,且槽表面已滲碳淬火,表面硬度高,難以返修,返修車削過程中車刀與槽表面磨削容易形成磨削裂紋,這在理化檢驗(yàn)結(jié)果中得到驗(yàn)證,也在后續(xù)的質(zhì)量事故調(diào)查中得到確認(rèn).

３ 結(jié)論及建議

該采煤機(jī)搖臂惰輪斷裂為典型的疲勞斷裂,疲勞源為其內(nèi)壁擋圈槽處的微裂紋,而微裂紋是在惰輪完工后非正常工序返修切削加工過程中產(chǎn)生的,此微裂紋在交變載荷及復(fù)雜應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展導(dǎo)致最終的疲勞斷裂.

從本案例來看,惰輪斷裂主要屬管理問題,其次工序也存在不足,質(zhì)量管控程序上也存在漏洞.因此采取以下處置措施:①在管理上,對(duì)表面滲碳淬火的零件盡量不要采用普通刀具返修,若采用硬質(zhì)合金刀具切削加工也要慎重考慮,以防產(chǎn)生切削裂紋;

②在工序上,改變惰輪擋圈槽的加工工序,應(yīng)該在惰輪滲碳、淬火、高溫回火后再加工擋圈槽,減少擋圈槽的熱處理工序,從而減小惰輪的變形,同時(shí)降低擋圈槽的表面硬度,利于返修,且不易產(chǎn)生切削裂紋;

③在質(zhì)量控制方面,對(duì)經(jīng)滲碳淬火后需要返修的零件,必須要進(jìn)行二次無損檢測(cè),并適當(dāng)進(jìn)行低溫去應(yīng)力回火,即返修后必須進(jìn)行復(fù)驗(yàn),不合格的零件不允許入庫.

（文章來源：材料與測(cè)試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 2018年 > 4期 > pp.293）