掘進機截割減速機輸出軸斷裂原因分析

趙 會 張加園 曹金娣

（天津賽瑞機器設(shè)備有限公司 天津 300301）

1 概述

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

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。力學性能強度要求805～93 1MPa，沖擊功要求≥47J。

3 檢驗

3.1 輸出軸斷裂實物檢測

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

圖2 斷裂輸出軸宏觀形貌圖

表1 硬度檢驗結(jié)果（H B）

圖3 硬度試驗取樣位置

表2 化學成分分析結(jié)果

3.3 力學性能檢驗對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方法》和GB／T229《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》標準進行拉伸和沖擊試驗，實驗儀器為擺錘式?jīng)_擊試驗機，得到的沖擊功為AKV＝16J，較標準要求的35CrMo鍛件沖擊吸收功47J［1］小。

3.4 化學性能檢驗

化學成分分析結(jié)果見表2，經(jīng)與GB／T3077-1999標準中35CrMo標準值比對，符合其標準規(guī)定［2］。

3.5 金相性能檢驗

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重。

3.6 低倍試驗檢驗

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)域存在點狀偏析，按標準GB／T226評定為一般偏析。

4 斷裂原因分析

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

圖7 軸的低倍組織

2）通過硬度檢驗結(jié)果顯示，所測各點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標。中心部位個別點低于要求，主要是由于該材質(zhì)淬透性較差，心部硬度會略低于表面硬度，屬于正?，F(xiàn)象。

3）按照標準力學性能檢驗中，發(fā)現(xiàn)沖擊結(jié)果遠小于技術(shù)要求，故判斷此次斷裂主要原因是沖擊性能不達標。韌性時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，它是強度和塑性的綜合表現(xiàn)。在力學試驗中，沖擊韌性是一項重要的性能指標，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)?，會發(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，斷裂處的沖擊功僅有16 J，遠低于要求值（47J）。

4）由于沖擊出現(xiàn)嚴重問題，故按標準做金相試驗和低倍試驗。

非金屬夾雜應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，一旦出現(xiàn)超標，就破壞了機體組織的連續(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，帶狀碳化物時沿軋制方向呈帶狀分布，液析碳化物為鋼液凝固時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。碳化物不均勻會使熱處理時出現(xiàn)裂紋、疲勞強度降低和淬火軟點等缺陷，工件出現(xiàn)早期損壞。

由金相實驗所做出的圖片可以看出試樣組織偏析嚴重，低倍實驗評定為一般偏析，偏析對工件的力學性能影響較大。

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，以達到細化晶粒的目的，正火調(diào)制后再進行后續(xù)熱處理調(diào)質(zhì)。鍛造退火時溫度不要設(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)狀碳化物對力學性能危害很大。

3）淬火介質(zhì)選用水，水冷時可提高出水溫度防止開裂。

4）回火溫度提高，加長保溫時間，出爐水冷，水冷時減少冷卻時間，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)的鋼錠進行生產(chǎn)，可大大提高力學性能。

6 結(jié)束語

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

［1］成大先主編.機械設(shè)計手冊第1卷.北京：化學工業(yè)出版社，2008.

［2］成大先主編.機械設(shè)計手冊第1卷.北京.化學工業(yè)出版社，2008.

［3］GB／T226-1991.鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法［S］.