分享：采煤机摇臂惰轮断裂失效分析

王 洋,王培科,孙 萌

(西安煤矿机械有限公司,西安 ７１００３２)

摘 要:利用宏观检验、磁粉探伤、化学成分分析、金相以及硬度检验等方法对某采煤机摇臂惰轮的疲劳断裂进行了失效分析,确定了疲劳源微裂纹产生的原因.结果表明:惰轮在加工完成后的返修过程中挡圈槽处产生了切削微裂纹,微裂纹在摇臂惰轮工作时的交变载荷作用下不断扩展,最终导致惰轮疲劳断裂.

关键词:惰轮;疲劳断裂;返修;切削裂纹;失效分析某矿采 煤 机 仅 使 用 一 周,其 摇 臂 即 出 现 异 常而无法正常工作.经现场分析初步判定为齿轮减速机构失效,拆 开 摇 臂 后 检 查 发 现 摇 臂 惰 轮 断 裂并分离为 数 块.从 多 年 失 效 统 计 来 看,采 煤 机 齿轮失效形 式 主 要 为 断 齿、齿 面 点 蚀、齿 变 形 等,而断裂并 分 离 为 数 块 尚 属 首 例. 该 惰 轮 生 产 过 程

为:下 料 → 锻 造 → 正 火 (９２０ ℃)＋ 高 温 回 火(６５０ ℃)→ 机 加 工 (滚 齿 ＋ 车 挡 圈 槽 )→ 渗 碳(９３０ ℃)→高 温 回 火(６５０ ℃)→ 淬 火(８１０ ℃)→低温回火(２００ ℃)→磨齿及孔内壁.惰轮技术要求为:渗碳层深度２．５~３．０mm,表面硬度５８．０~６２．０HRC,心部硬度３８．０~４４．０ HRC.笔者对该断裂惰轮进行了检验和分析,以查明其断裂原因,并采取措施避免类似失效的再发生.

１ 理化检验

１．１ 宏观检验

惰轮沿纵向断裂成数块,内壁表面局部发黑,有窜动再次回火的痕迹,如图１所示.每块断口均呈典型的疲劳断裂特征[１],疲劳源位于惰轮内壁挡圈槽处,疲劳扩展区贝纹线清晰,瞬断区呈过载断裂特征,有明显的撕裂棱和放射花样,如图２所示.

经磁粉探伤发现,惰轮挡圈槽内存在大量纵向微裂纹,长１．９~２．１ mm,惰轮内壁存在纵向裂纹,其由挡圈槽处的微裂纹扩展而来,如图３所示.

１．２ 化学成分分析

从断裂惰轮上取样进行化学成分分析,结果见表１,根据分析结果判定惰轮材料为１８Cr２Ni４W 钢,且其化学成分符合 GB/T３０７７－２０１５技术要求.

１．３ 金相及硬度检验

对惰轮断口的疲劳源进行解剖,发现疲劳源处存在微裂纹,如图４所示,可见挡圈槽表面有０．０５mm厚的挤压变形未回火淬火层,其硬度为７２７HV,次表层硬度为５２８HV,表层组织无未淬透的屈氏体存在,微裂纹从淬火层的表面起裂,穿晶扩展,裂纹深度为０．０５~１．６５mm,未发现存在冶金缺陷.

疲劳源附近挡圈槽表面有明显的刀具加工痕迹,如图５所示,可见挡圈槽表面部分碳化层已被加工掉,剩余渗碳层深度为２．５mm.对未磨齿顶进行解剖,其渗碳层深度为２．７mm,表面有０．２mm 厚的碳化物层,其中碳化物呈角块状与半网状,如图６所示,再次佐证了疲劳源区表面即挡圈槽处被二次车削过.

２ 综合分析

断裂惰轮的材料、硬度、渗碳层深度均符合技术要求.惰轮的断裂呈典型的疲劳断裂,疲劳源位于内壁挡圈槽处,金相检验发现疲劳源处存在多条微裂纹.微裂纹较浅,均位于挤压变形未回火淬火层内,深约０．０５mm,微裂纹两边均无脱碳与增碳,表层组织无未淬透的屈氏体存在,由此可见此微裂纹产生于热处理之后.

挡 圈 槽 处 所 安 装 挡 圈 的 硬 度 为 ４４．０ ~５１．０HRC,只起到隔离轴承的作用,不承受荷载,而挡圈槽表面硬度大于５８．０HRC,故挡圈不会对挡圈槽处产生磨削,更不会磨去表层的碳化物层,由此可见此微裂纹产生于惰轮使用之前.

由惰轮加工路线可知挡圈槽是在渗碳淬火前加工完成的,热处理之后不再进行机加工;然而从槽表面存在挤压变形的未回火淬火层及加工刀痕可以推断惰轮槽经过了车削返修,而微裂纹恰好产生于此次车削返修过程中.从挡圈槽表面的粗刀痕可以看出,由于挡圈槽表面硬度较高,不易切削,车削返修加工时的摩擦阻力较大,因此会瞬时产生高温使槽表面奥氏体化;在冷却液冷却过程中表面迅速收缩,而１８Cr２Ni４W 钢的导热性差,次表层来不及收缩,使挡圈槽表面产生拉应力,同时半网状与角块状的碳化物割裂了金属材料的连续性[２Ｇ４],从而产生了纵向微裂纹.微裂纹作为疲劳源使得疲劳断裂不需要经过疲劳裂纹萌生期而直接进入疲劳裂纹扩展阶段,极大缩短了零件的疲劳寿命[５],造成了此次惰轮的早期失效.

挡圈槽车削返修的根本原因可能是惰轮热处理后槽变形或者原有槽未加工到位,惰轮挡圈槽是在渗碳以前就加工好的,经渗碳淬火后易变形增大,且槽表面已渗碳淬火,表面硬度高,难以返修,返修车削过程中车刀与槽表面磨削容易形成磨削裂纹,这在理化检验结果中得到验证,也在后续的质量事故调查中得到确认.

３ 结论及建议

该采煤机摇臂惰轮断裂为典型的疲劳断裂,疲劳源为其内壁挡圈槽处的微裂纹,而微裂纹是在惰轮完工后非正常工序返修切削加工过程中产生的,此微裂纹在交变载荷及复杂应力作用下不断扩展导致最终的疲劳断裂.

从本案例来看,惰轮断裂主要属管理问题,其次工序也存在不足,质量管控程序上也存在漏洞.因此采取以下处置措施:①在管理上,对表面渗碳淬火的零件尽量不要采用普通刀具返修,若采用硬质合金刀具切削加工也要慎重考虑,以防产生切削裂纹;

②在工序上,改变惰轮挡圈槽的加工工序,应该在惰轮渗碳、淬火、高温回火后再加工挡圈槽,减少挡圈槽的热处理工序,从而减小惰轮的变形,同时降低挡圈槽的表面硬度,利于返修,且不易产生切削裂纹;

③在质量控制方面,对经渗碳淬火后需要返修的零件,必须要进行二次无损检测,并适当进行低温去应力回火,即返修后必须进行复验,不合格的零件不允许入库.

（文章来源：材料与测试网-理化检验－物理分册 > 2018年 > 4期 > pp.293）