趙 會(huì) 張加園 曹金娣

（天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司 天津 300301）

1 概述

公司生產(chǎn)的EBZ75掘進(jìn)機(jī)適用于井下巖石硬度f≤5.5的煤巷、半煤巷的巷道掘進(jìn)，也適用于條件相似的其它礦山及工程隧道的掘進(jìn)。此斷裂軸是該掘進(jìn)機(jī)在全巖巷道工作時(shí)發(fā)生的斷裂。故本文對(duì)該輸出軸斷口進(jìn)行斷口觀察，對(duì)軸的化學(xué)成分、金相組織、力學(xué)性能等進(jìn)行較為系統(tǒng)的檢測，對(duì)此次斷裂故障進(jìn)行綜合分析，確定斷裂性質(zhì)和斷裂原因，并提出預(yù)防改進(jìn)的措施。

2 該輸出軸使用情況和技術(shù)要求

2.1 軸的形式

如圖1所示，圖為減速機(jī)輸出軸的結(jié)構(gòu)形式，斷裂位置位于漸開線花鍵根部。

2.2 技術(shù)要求

圖1 軸的結(jié)構(gòu)形式及斷裂位置

此減速機(jī)輸出軸選用的材料為35CrMo鍛材，調(diào)質(zhì)處理要求硬度為HB240-280，漸開線花鍵氮化深度≥0.5mm，花鍵表面硬度為HV≥500。力學(xué)性能強(qiáng)度要求805～93 1MPa，沖擊功要求≥47J。

3 檢驗(yàn)

3.1 輸出軸斷裂實(shí)物檢測

現(xiàn)場斷裂輸出軸宏觀形貌如圖2所示。軸斷裂面在圖下方，斷裂位置如圖箭頭所示。

3.2 硬度檢驗(yàn)

圖2 斷裂輸出軸宏觀形貌圖

表1 硬度檢驗(yàn)結(jié)果（H B）

圖3 硬度試驗(yàn)取樣位置

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果

3.3 力學(xué)性能檢驗(yàn)對(duì)輸出軸斷裂處附近取試樣按GB／T 22 8《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》和GB／T229《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)儀器為擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，得到的沖擊功為AKV＝16J，較標(biāo)準(zhǔn)要求的35CrMo鍛件沖擊吸收功47J［1］小。

3.4 化學(xué)性能檢驗(yàn)

化學(xué)成分分析結(jié)果見表2，經(jīng)與GB／T3077-1999標(biāo)準(zhǔn)中35CrMo標(biāo)準(zhǔn)值比對(duì)，符合其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［2］。

3.5 金相性能檢驗(yàn)

通過圖4可以看出，金相組織主要有貝氏體鐵素體索氏體組成。

圖4 軸的顯微組織

通過圖5可以看出組織偏析嚴(yán)重。

3.6 低倍試驗(yàn)檢驗(yàn)

圖5 軸的顯微組織

圖6 軸的低倍組織

低倍酸浸檢測［3］結(jié)果如圖6、圖7所示，低倍組織顯示靠心部區(qū)域存在點(diǎn)狀偏析，按標(biāo)準(zhǔn)GB／T226評(píng)定為一般偏析。

4 斷裂原因分析

1）通過化學(xué)成分分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)該減速機(jī)輸出軸選取的35 C r M o各項(xiàng)元素含量均在要求范圍之內(nèi)，該輸出軸的化學(xué)成分符合要求。

圖7 軸的低倍組織

2）通過硬度檢驗(yàn)結(jié)果顯示，所測各點(diǎn)硬度值基本在要求的HB240-280范圍內(nèi)，由此可知熱處理后硬度基本達(dá)標(biāo)。中心部位個(gè)別點(diǎn)低于要求，主要是由于該材質(zhì)淬透性較差，心部硬度會(huì)略低于表面硬度，屬于正常現(xiàn)象。

3）按照標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能檢驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)沖擊結(jié)果遠(yuǎn)小于技術(shù)要求，故判斷此次斷裂主要原因是沖擊性能不達(dá)標(biāo)。韌性時(shí)金屬材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，它是強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。在力學(xué)試驗(yàn)中，沖擊韌性是一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，在工作載荷與內(nèi)應(yīng)力作用下材料抵抗變形能力將變?nèi)?，?huì)發(fā)生突發(fā)的脆性斷裂，就如本次輸出軸斷裂事故，經(jīng)過取樣試驗(yàn)，斷裂處的沖擊功僅有16 J，遠(yuǎn)低于要求值（47J）。

4）由于沖擊出現(xiàn)嚴(yán)重問題，故按標(biāo)準(zhǔn)做金相試驗(yàn)和低倍試驗(yàn)。

非金屬夾雜應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，一旦出現(xiàn)超標(biāo)，就破壞了機(jī)體組織的連續(xù)性，在接觸應(yīng)力的作用下，容易造成過熱或應(yīng)力集中，成為裂紋源。

碳化物的不均勻性包含有帶狀碳化物、液析碳化物和網(wǎng)狀碳化物，帶狀碳化物時(shí)沿軋制方向呈帶狀分布，液析碳化物為鋼液凝固時(shí)因枝晶偏析而析出共晶碳化物，其往往形成粗大的塊狀和帶狀分布，網(wǎng)狀碳化物時(shí)由于終鍛溫度過高，熱處理加熱后冷卻速度低而形成的。碳化物不均勻會(huì)使熱處理時(shí)出現(xiàn)裂紋、疲勞強(qiáng)度降低和淬火軟點(diǎn)等缺陷，工件出現(xiàn)早期損壞。

由金相實(shí)驗(yàn)所做出的圖片可以看出試樣組織偏析嚴(yán)重，低倍實(shí)驗(yàn)評(píng)定為一般偏析，偏析對(duì)工件的力學(xué)性能影響較大。

5 改善方案

1）在鋼的冶煉過程中，減少鋼水中P、Sb、Sn、As等有害雜質(zhì)的含量，防止其在晶界的偏聚，減少晶界的脆性，防止出現(xiàn)回火脆性。

2）在鍛造完成后，加快冷卻速度，再增加正火調(diào)質(zhì)工序，以達(dá)到細(xì)化晶粒的目的，正火調(diào)制后再進(jìn)行后續(xù)熱處理調(diào)質(zhì)。鍛造退火時(shí)溫度不要設(shè)定過高，并且避免冷卻速度太慢，這樣能減少淬火前出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物，網(wǎng)狀碳化物對(duì)力學(xué)性能危害很大。

3）淬火介質(zhì)選用水，水冷時(shí)可提高出水溫度防止開裂。

4）回火溫度提高，加長保溫時(shí)間，出爐水冷，水冷時(shí)減少冷卻時(shí)間，加快冷卻速度，避免二次回火脆性。

5）可選用含Ni的40 Cr Ni Mo材質(zhì)的鋼錠進(jìn)行生產(chǎn)，可大大提高力學(xué)性能。

6 結(jié)束語

該減速機(jī)輸出軸斷裂是由于熱處理工藝不合理導(dǎo)致材料力學(xué)性能低于設(shè)計(jì)要求，使軸在使用過程中出現(xiàn)斷裂。

［1］成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第1卷.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［2］成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第1卷.北京.化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［3］GB／T226-1991.鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法［S］.