王 洋,王培科,孫 萌
(西安煤礦機械有限公司,西安 ７１００３２)
摘 要:利用宏觀檢驗、磁粉探傷、化學成分分析、金相以及硬度檢驗等方法對某采煤機搖臂惰輪的疲勞斷裂進行了失效分析,確定了疲勞源微裂紋產生的原因.結果表明:惰輪在加工完成后的返修過程中擋圈槽處產生了切削微裂紋,微裂紋在搖臂惰輪工作時的交變載荷作用下不斷擴展,最終導致惰輪疲勞斷裂.
關鍵詞:惰輪;疲勞斷裂;返修;切削裂紋;失效分析某礦采 煤 機 僅 使 用 一 周,其 搖 臂 即 出 現(xiàn) 異 常而無法正常工作.經現(xiàn)場分析初步判定為齒輪減速機構失效,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 來 看,采 煤 機 齒輪失效形 式 主 要 為 斷 齒、齒 面 點 蝕、齒 變 形 等,而斷裂并 分 離 為 數(shù) 塊 尚 屬 首 例. 該 惰 輪 生 產 過 程
為:下 料 → 鍛 造 → 正 火 (９２０ ℃)＋ 高 溫 回 火(６５０ ℃)→ 機 加 工 (滾 齒 ＋ 車 擋 圈 槽 )→ 滲 碳(９３０ ℃)→高 溫 回 火(６５０ ℃)→ 淬 火(８１０ ℃)→低溫回火(２００ ℃)→磨齒及孔內壁.惰輪技術要求為: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.筆者對該斷裂惰輪進行了檢驗和分析,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
１．１ 宏觀檢驗
惰輪沿縱向斷裂成數(shù)塊,內壁表面局部發(fā)黑,有竄動再次回火的痕跡,如圖１所示.每塊斷口均呈典型的疲勞斷裂特征[１],疲勞源位于惰輪內壁擋圈槽處,疲勞擴展區(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.
經磁粉探傷發(fā)現(xiàn),惰輪擋圈槽內存在大量縱向微裂紋,長１．９~２．１ mm,惰輪內壁存在縱向裂紋,其由擋圈槽處的微裂紋擴展而來,如圖３所示.
１．２ 化學成分分析
從斷裂惰輪上取樣進行化學成分分析,結果見表１,根據(jù)分析結果判定惰輪材料為１８Cr２Ni４W 鋼,且其化學成分符合 GB/T３０７７－２０１５技術要求.
１．３ 金相及硬度檢驗
對惰輪斷口的疲勞源進行解剖,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.對未磨齒頂進行解剖,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要求.惰輪的斷裂呈典型的疲勞斷裂,疲勞源位于內壁擋圈槽處,金相檢驗發(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,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,故擋圈不會對擋圈槽處產生磨削,更不會磨去表層的碳化物層,由此可見此微裂紋產生于惰輪使用之前.
由惰輪加工路線可知擋圈槽是在滲碳淬火前加工完成的,熱處理之后不再進行機加工;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過了車削返修,而微裂紋恰好產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,車削返修加工時的摩擦阻力較大,因此會瞬時產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 鋼的導熱性差,次表層來不及收縮,使擋圈槽表面產生拉應力,同時半網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過疲勞裂紋萌生期而直接進入疲勞裂紋擴展階段,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,這在理化檢驗結果中得到驗證,也在后續(xù)的質量事故調查中得到確認.
３ 結論及建議
該采煤機搖臂惰輪斷裂為典型的疲勞斷裂,疲勞源為其內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生的,此微裂紋在交變載荷及復雜應力作用下不斷擴展導致最終的疲勞斷裂.
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,若采用硬質合金刀具切削加工也要慎重考慮,以防產生切削裂紋;
②在工序上,改變惰輪擋圈槽的加工工序,應該在惰輪滲碳、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,同時降低擋圈槽的表面硬度,利于返修,且不易產生切削裂紋;
③在質量控制方面,對經滲碳淬火后需要返修的零件,必須要進行二次無損檢測,并適當進行低溫去應力回火,即返修后必須進行復驗,不合格的零件不允許入庫.