球磨機(jī)是利用鋼球作為研磨介質(zhì)進(jìn)行磨礦的設(shè)備,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、破碎比大,可對(duì)各種礦石和其他可磨性物料進(jìn)行干式或濕式粉磨,適應(yīng)性強(qiáng),易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。所以,在選礦、建材、化工、冶金、材料等行業(yè)中,球磨機(jī)都是最普遍、最通用的粉磨設(shè)備。隨著企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和礦石品位的下降,球磨機(jī)的生產(chǎn)能力越來(lái)越大,并使球磨機(jī)越來(lái)越大型化。
齒輪軸是傳動(dòng)裝置上的關(guān)鍵部件,隨著球磨機(jī)向大型化發(fā)展,齒輪軸的加工工藝也有所改變,采用滲碳鋼(滲碳淬火)代替中碳合金鋼(調(diào)質(zhì)+齒部位表面淬火)。
某公司齒輪軸材質(zhì)選用20CrNi2Mo鋼,規(guī)格為φ579mm×3000mm,模數(shù)25,齒數(shù)21,左旋7.5°,經(jīng)鍛造、粗車、探傷、調(diào)質(zhì)(650℃回火)、精車、磨前銑齒、齒部滲碳淬火+回火(滲碳層深度2.5～3mm,齒面硬度57～61HRC)、磨齒等工序加工而成,鍛造及熱處理質(zhì)量直接影響軸齒輪的使用壽命。
在用戶現(xiàn)場(chǎng)使用過程中,齒輪軸斷裂時(shí)未發(fā)現(xiàn)明顯異常,只是在運(yùn)行中電機(jī)仍在工作,但齒輪軸已不隨著旋轉(zhuǎn)。該齒輪軸使用壽命大概在12個(gè)月左右。齒輪軸的結(jié)構(gòu)如圖1所示,齒輪軸斷裂宏觀形態(tài)如圖2所示。
造成齒輪軸斷裂的原因很多,設(shè)計(jì)、工藝、加工精度、鍛造、熱處理、安裝精度、維護(hù)保養(yǎng)等各個(gè)環(huán)節(jié)均可能造成該齒輪軸斷裂,由于該斷裂齒輪軸為備件,在更換該斷軸前的另一根齒輪軸因到使用壽命而失效,說(shuō)明設(shè)計(jì)、工藝、加工、安裝、維護(hù)保養(yǎng)等環(huán)節(jié)不存在問題。為查找該齒輪軸斷裂的主要原因,對(duì)其進(jìn)行了化學(xué)成分分析、金相組織觀察、斷口觀察和力學(xué)性能測(cè)試等。
一、理化檢驗(yàn)及分析
斷裂齒軸宏觀形貌如圖2所示,其中圖2為現(xiàn)場(chǎng)照片。齒輪軸在軸齒部位斷裂,在斷口分離前,裂痕呈直線狀沿周向分布(見圖2a)。裂痕及附近區(qū)域無(wú)宏觀塑性變形,顯示脆性斷裂特征。斷裂齒軸為徑向通透型斷裂,如圖2b所示。對(duì)球磨機(jī)斷裂齒輪軸進(jìn)行檢測(cè),具體檢測(cè)項(xiàng)目有斷口檢測(cè)、金相組織檢測(cè)、化學(xué)成分檢測(cè)、力學(xué)性能檢測(cè)。對(duì)斷軸進(jìn)行切割取樣,取樣情況如圖3、圖4所示。
1.斷口檢測(cè)
(1)斷口宏觀檢測(cè)
對(duì)應(yīng)面斷口宏觀形貌如圖5～圖7所示。斷口平齊,斷面可見明顯放射狀花樣。放射狀花樣的收斂區(qū)在偏離圓心的圓形相對(duì)平坦區(qū)域及略帶凹凸位置,該區(qū)域距齒頂約250mm,為斷裂源區(qū),如圖5箭頭所示。對(duì)應(yīng)面一側(cè)斷口因鉆取化學(xué)成分分析樣品,斷裂源區(qū)已被破壞(見圖6箭頭),另一側(cè)除斷口表面油污較嚴(yán)重外,斷面基本無(wú)損傷。在斷裂源區(qū)取樣并清洗后(見圖7),肉眼可見斷裂源區(qū)沿枝晶開裂特征(枝晶間存在明顯臺(tái)階)及15mm×10mm和10mm×2mm夾雜物缺陷。
(2)斷口微觀檢測(cè)
用掃描電鏡觀察了斷裂源區(qū)及附近斷口微觀形貌,如圖8、圖9所示,斷口顯示解理及準(zhǔn)解理斷裂特征。對(duì)斷裂源區(qū)缺陷(見圖9)進(jìn)行了能譜定性及半定量檢測(cè),結(jié)果缺陷部位含有O、Ca、Si、C、Al、Fe、Mg、Na、K等元素,為夾渣缺陷。
2.金相組織檢測(cè)
(1)低倍組織檢測(cè)
在斷口附近截取了齒軸徑向(距斷口軸向距離約20mm)及軸向樣品,進(jìn)行了低倍組織檢測(cè),結(jié)果如圖10～圖12所示,圖11、圖12試樣上表面為斷口。依據(jù)GB/T 1979—2001標(biāo)準(zhǔn)低倍組織評(píng)定為一般疏松0.5級(jí),無(wú)其他低倍組織缺陷。存在較嚴(yán)重枝晶組織,斷裂源區(qū)枝晶組織尤為嚴(yán)重,滲碳淬火層及調(diào)質(zhì)處理層清晰可見,調(diào)質(zhì)層距齒頂深度約為110mm。
(2)金相檢測(cè)
圖13為齒輪軸非金屬夾雜物檢測(cè)結(jié)果,參照GB/T 10561—2005標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定為:A類粗系1級(jí),B類粗系1級(jí),C類0級(jí),D類細(xì)系2級(jí)。圖14為齒根部滲碳淬硬層組織,組織為回火馬氏體,馬氏體級(jí)別5級(jí)。圖15為調(diào)質(zhì)層,調(diào)質(zhì)組織為回火索氏體+鐵素體,存在枝晶組織。圖16為調(diào)質(zhì)層附近組織,組織為珠光體+鐵素體,存在較嚴(yán)重枝晶組織。圖17為斷裂源區(qū)組織,組織為鐵素體+珠光體,存在嚴(yán)重枝晶組織,晶粒度≥8級(jí)。
(3)化學(xué)成分檢測(cè)
化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示,參照GB/T 3203—2016標(biāo)準(zhǔn)(滲碳軸承鋼),對(duì)化學(xué)成分的檢測(cè)值和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行了對(duì)比,齒輪軸檢測(cè)結(jié)果基本符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))檢測(cè)結(jié)果 (%)
元素 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | Cu |
標(biāo)準(zhǔn)值 | 0.19～0.23 | 0.25～0.40 | 0.55～0.70 | ≤0.020 | ≤0.015 | 0.45～0.65 | 1.60～2.00 | 0.20～0.30 | ≤0.25 |
檢測(cè)值 | 0.20 | 0.30 | 0.70 | 0.018 | 0.008 | 0.66 | 1.75 | 0.19 | 0.062 |
(4)力學(xué)性能檢測(cè)
在軸心斷裂源區(qū)附近沿徑向截取了力學(xué)性能試樣,檢測(cè)結(jié)果見表2,參照標(biāo)準(zhǔn)中引用的 GB/T 3203—2016材料牌號(hào)(G20CrNi2Mo),強(qiáng)度測(cè)量值偏低,這與取樣位置有關(guān)(標(biāo)準(zhǔn)值為縱向取樣,且是經(jīng)淬火+200℃回火后的值)。表3為滲碳淬硬層硬度梯度檢測(cè)結(jié)果,滲碳淬硬層深度約為3.0mm。表4為距齒根表面調(diào)質(zhì)層硬度梯度檢測(cè)結(jié)果。
表2 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果與參考值對(duì)照表
力學(xué)性能 | Rm /N·m-2 | Rp0.2 /N·m-2 | A (%) | Z (%) | KV2 /J | HBW |
1#檢測(cè)值(橫向) | 790 | — | 11.5 | 27 | 68 | 226、232、224、241 |
2#檢測(cè)值(橫向) | 774 | 494 | 14.5 | 41 | 68 | |
參考值 | ≥980 | — | ≥13 | ≥45 | ≥63 | — |
表3 滲碳淬硬層硬度梯度檢測(cè)結(jié)果
距表面/mm | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.8 |
硬度HV1 | 573 | 591 | 559 | 566 | 559 | 559 | 584 |
距表面/mm | 1.0 | 1.2 | 1.4 | 1.6 | 1.8 | 1.9 | 2.0 |
硬度HV1 | 594 | 598 | 581 | 593 | 552 | 539 | 533 |
距表面/mm | 2.2 | 2.4 | 2.6 | 2.8 | 3.0 | 3.2 | 5.0 |
硬度HV1 | 494 | 488 | 497 | 499 | 509 | 433 | 375 |
表4 距齒根表面調(diào)質(zhì)層硬度梯度檢測(cè)結(jié)果
距表面/mm | 5.0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 |
硬度HV50 | 316 | 269 | 262 | 266 | 276 | 284 |
換算HRC | 33.5 | 27.5 | 26.5 | 27.0 | 28.5 | 29.5 |
距表面/mm | 60 | 80 | 100 | 120 | 140 | 心部 |
硬度HV50 | 269 | 260 | 248 | 254 | 242 | 229 |
換算HRC | 27.5 | 26.0 | 24.0 | 25.0 | 23.0 | 21.0 |
3.檢測(cè)結(jié)果分析與結(jié)論
(1)參照GB/T3203—2016(滲碳軸承鋼)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定,齒輪軸化學(xué)成分基本符合標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定。
(2)在齒輪軸心部斷裂源區(qū)附近截取了徑向試樣(拉伸及沖擊),檢測(cè)結(jié)果顯示,沖擊值滿足技術(shù)條件規(guī)定,說(shuō)明材料具有較好的韌性。強(qiáng)度偏低有兩方面原因:一是標(biāo)準(zhǔn)試樣為直徑25mm的檢測(cè)值,而該齒輪軸直徑為579mm。二是應(yīng)與橫向取樣及取樣時(shí)更靠近軸心部有關(guān)(JB/T5000.8—2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的取樣位置為距表面1/3半徑處);齒輪軸的齒部滲碳淬火層深度及硬度略低于標(biāo)準(zhǔn)要求。
(3)由齒輪軸表面至心部金相組織檢測(cè)結(jié)果顯示,基體組織無(wú)異常,齒輪軸枝晶組織較嚴(yán)重,特別是斷裂源附近更為嚴(yán)重,說(shuō)明在鍛造過程中枝晶組織未得到有效的改善,在允許的情況下可適當(dāng)增大鍛造比。枝晶組織嚴(yán)重時(shí)會(huì)不同程度降低材料的力學(xué)性能。
(4)齒輪軸顯示瞬時(shí)(一次性)脆性斷裂特征,斷裂源區(qū)在齒輪軸心部偏離軸心區(qū)域。該處存在肉眼可見夾渣物缺陷,且枝晶組織嚴(yán)重,說(shuō)明該部位是齒輪軸的薄弱區(qū)域,易引發(fā)應(yīng)力集中導(dǎo)致的開裂。
(5)齒輪軸是在設(shè)備運(yùn)行過程中斷裂,且使用時(shí)間約12個(gè)月。根據(jù)齒輪軸為突發(fā)一次性斷裂的特點(diǎn)分析,其斷裂時(shí)應(yīng)存在兩種情況:①斷裂源區(qū)承受較大應(yīng)力作用,該應(yīng)力可排除齒輪軸制造過程中所能殘留的組織應(yīng)力、熱應(yīng)力等應(yīng)力作用;也可排除使用過程所形成的熱應(yīng)力及齒輪軸旋轉(zhuǎn)所形成的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用。由于齒輪軸運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法提供有效的監(jiān)控記錄及相關(guān)數(shù)據(jù),因此無(wú)法更精準(zhǔn)的判斷軸心應(yīng)力的來(lái)源。②斷裂源區(qū)相對(duì)薄弱。
通過上述分析得出以下結(jié)論:齒輪軸心部存在夾渣及枝晶缺陷,在設(shè)備運(yùn)行過程中,當(dāng)軸心承受較大應(yīng)力作用時(shí),在薄弱部位引發(fā)了瞬時(shí)脆性斷裂。
4.熱加工工藝改進(jìn)
引起齒輪軸斷裂的原因很多,僅從熱加工專業(yè)著手,通過提高鍛件質(zhì)量、增加鍛后正火工序、增加滲碳前預(yù)備熱處理(粗銑齒后調(diào)質(zhì))工序、調(diào)整滲碳淬火工藝參數(shù)等手段,提高熱加工工藝效果,保證產(chǎn)品質(zhì)量。
來(lái)源:熱處理生態(tài)圈
作者:劉蘋
單位:中國(guó)有色(沈陽(yáng))冶金機(jī)械有限公司
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