熱軋板廠E1 立輥軋機十字軸斷裂失效分析
陳高林 孫銀
( 梅山鋼鐵公司熱軋板廠南京 210039)
摘要: 熱軋板廠的E1立輥軋機的十字軸發(fā)生斷裂，通過對斷口的宏觀觀測、金相分析，十字軸的材質(zhì)、機械性能測試以及理論計算，得出此軸的斷裂與其熱處理的碳濃度和溫度的控制不當有關(guān)，而與設(shè)備的設(shè)計無關(guān)。本分析結(jié)果對今后設(shè)備的加工工藝具有重要的指導意義，即熱處理的溫度控制及碳濃度控制必須嚴格執(zhí)行規(guī)定的工藝制度，不得以“提高爐溫來替代保溫”的方法加快熱處理的速度。
關(guān)鍵詞:十字軸；斷裂；溫度
熱軋板廠的E1立輥主軸為達涅利設(shè)計，國內(nèi)某大型加工廠制造。由于在材料熱處理的過程中，違反了工藝流程，擅自提高爐溫，加快溫升速度，達到了縮短熱處理時間的目的，結(jié)果導致主軸的內(nèi)部產(chǎn)生了顯微裂紋和網(wǎng)狀碳化物，致使主軸的強度下降，發(fā)生了斷裂。通過對此軸的故障原因進行分析，得出只有嚴格執(zhí)行加工工藝，才能保證設(shè)備的加工質(zhì)量。
1 故障過程
E1立輥主軸為立輥的關(guān)鍵傳動設(shè)備，于2012年2月27日上線使用，在軋制過程中未發(fā)生超載或堆鋼現(xiàn)象。但在2012年9月20日，主軸的十字軸軸頸發(fā)生了異音，停機檢查發(fā)現(xiàn)E1工作側(cè)主軸的減速機端十字軸的一根支軸發(fā)生了斷裂，遂立即停機更換。整個事故造成軋線停機22h，本主軸累計上線時間僅6個月20天。十字軸在斷裂前共經(jīng)歷了18．8萬次應(yīng)力循環(huán)，遠小于100萬次應(yīng)力循環(huán)的設(shè)計壽命。
2 主軸結(jié)構(gòu)
本主軸結(jié)構(gòu)見圖1。
本十字軸由輥側(cè)叉頭、輥側(cè)十字軸、中間軸、減速箱側(cè)十字軸、減速箱側(cè)叉頭等組成。十字軸與叉頭通過關(guān)節(jié)軸承連接，本次斷裂發(fā)生在圖示的a處。經(jīng)查，本主軸的型號為SWC700D，最大回轉(zhuǎn)直徑為700mm，十字軸直徑為300mm，材料為18Cr2Ni4WA，并經(jīng)滲碳和淬火處理。
3 故障分析
3.1 宏觀斷口形貌分析
圖2 是十字軸斷口截面圖，可以發(fā)現(xiàn)十字軸頭裂源區(qū)A，其磨平區(qū)域從表面開始，說明斷裂起始于表面裂紋，裂紋擴展區(qū)B占據(jù)了斷面的絕大部分面積，貝殼紋不明顯，但能大致看出貝紋線繞著裂源區(qū)向外凸起，說明材料對缺口不敏感。宏觀斷口表明，疲勞源在十字軸一側(cè)根部，向另一側(cè)根部擴展，并在另一側(cè)根部發(fā)生瞬間斷裂。E1軋機是單向軋制，關(guān)節(jié)承受脈動扭矩，斷口呈現(xiàn)的特征與十字軸承受的載荷是吻合的。分析還發(fā)現(xiàn)裂紋源區(qū)A與瞬斷區(qū)C的面積較小，不到整個斷口面積的1/10，說明在斷裂之前的裂紋擴展過程中軋制力矩較小，且十字軸有較大的強度富余。
3.2 化學成分分析
通過對十字軸的材質(zhì)進行化驗，其成分分析結(jié)果見表1。將失效的十字軸與JB/T6396—2006所要求的十字軸材質(zhì)成分進行比對，發(fā)現(xiàn)所使用的材質(zhì)滿足國標要求。
3.3 機械性能測試
對斷裂件進行性能測試，其結(jié)果見表2。顯然，斷裂件的抗拉強度和沖擊功滿足圖紙要求，但塑性延伸強度Ｒp0．2 較差，初步懷疑是熱處理工序存在瑕疵所致。
3.4 硬度和硬化層深度
對斷裂件進行硬度和硬化層深度測試，其結(jié)果見表3。數(shù)據(jù)表明，表面硬度符合圖紙要求，硬化層深度也符合要求，但心部硬度約偏高HＲC 4，初步懷疑是熱處理的淬火溫度偏高所致。
3.5 金相組織
對斷裂件進行金相組織測試，其結(jié)果見表4。可以發(fā)現(xiàn)，斷裂件的斷口存在顯微裂紋和網(wǎng)狀碳化物。顯微裂紋的存在是由粗大的馬氏體而產(chǎn)生的，粗大馬氏體則是由淬火溫度偏高所致。而網(wǎng)狀碳化物的產(chǎn)生，判定為是滲碳過程中碳濃度不合適而導致的。
斷裂件的斷口影像見圖3、圖4。
3.6 十字軸強度分析
查閱圖紙資料可知，本十字軸的承載額定扭矩為540kNm。考慮各種影響，并進行有限元分
析，顯然十字軸的設(shè)計滿足現(xiàn)場的需求。
1)十字軸的應(yīng)力最大點位于軸頭根部，能長期承受1910 kNm( 3．5 倍額定扭矩)的脈動疲勞載荷，叉頭的應(yīng)力最大點位于45°方向，能長期承受1000 kNm( 1．83 倍額定扭矩)的脈動疲勞載荷。
2)十字軸在傳遞大于2275 kNm( 4．15 倍額定扭矩)的扭矩時發(fā)生強度破壞，叉頭則在傳遞大于1910 kNm( 3．5 倍額定扭矩)的扭矩時發(fā)生強度破壞。
3)十字軸承受疲勞載荷的能力高于叉頭，在承受疲勞載荷時，叉頭應(yīng)先于十字軸發(fā)生破壞。
4 原因確認
根據(jù)上述的檢查、化驗、檢測及計算，可以排除十字軸的設(shè)計因素和材質(zhì)因素。終端原因則是指向熱處理工藝的瑕疵，經(jīng)查材質(zhì)18Cr2Ni4WA的熱處理溫度一般不得超過850℃，當熱處理溫度在950～1 000 ℃時，就會產(chǎn)生粗大馬氏體、顯微裂紋及網(wǎng)狀碳化物。由于這些瑕疵的存在，致使設(shè)備的塑性較差，并存在疲勞裂紋的發(fā)源區(qū)，進而導致十字軸斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。通過對生產(chǎn)廠家的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)本設(shè)備的熱處理工序是在冬天實施的，而廠家為了減少熱處理時間，加快了熱處理的速度，有意通過提高爐內(nèi)溫度來替代保溫所需要的長時間等待，并提高了爐內(nèi)的碳濃度，從而給十字軸的斷裂留下了隱患，這也驗證了上述分析。通過分析研究，可以得出以下結(jié)論:
1)十字軸的原設(shè)計滿足生產(chǎn)需求;
2)十字軸的化學成分符合JB/T6396—2006中定義的18Cr2Ni4WA標準;
3)十字軸的力學性能、沖擊功、滲碳層深度及硬度滿足圖紙要求;
4)十字軸的滲碳層沿晶裂紋和網(wǎng)狀碳化物與熱處理的碳濃度和淬火溫度的控制不當有關(guān)。
5 結(jié)論
通過對本次事故的分析，建立了新品制作的過程管理制度，即在新品制作時，要求生產(chǎn)廠家嚴格按照工藝流程進行材質(zhì)的熱處理，并對其進行過程管理，提供材質(zhì)的熱處理工藝流程及可視資料，從而有效地保證新品的制作質(zhì)量。新品上線之后，已經(jīng)安全使用了2年，效果良好。
