摘要：为了查明某化工生产装置的减速机断轴原因，利用扫描电镜和金相显微镜，对失效试件进行了检测分析。结果表明，减速机输入轴断裂失效性质为机械疲劳，轴金相组织带状偏析和表面未经过渗碳强化处理以及装配因素导致疲劳交变应力是导致轴断裂的主要因素。采取了相应措施消除了安全隐患。
关键词：减速机；轴；断裂；失效分析
皮带送料装置在热电厂的煤粉投送中应用广泛[1-3]。2018年9月，某石化公司热电厂燃料车间，一台煤粉输送皮带装置的减速机发生了输入轴断裂。减速机型号为B3SH10A31.5，德国西门子公司进口，输入轴转速1490rpm，输入轴通过液力耦合联轴器与驱动电机相连。输入轴材质为18CrNiMo7-6（德国标准EN 10084-2008），中国牌号相当于17Cr2Ni2Mo合金钢[4]。该减速机2018年8月安装，9月5日发生断裂，累计运行只有100小时左右。为了查明减速机输入轴断裂的原因，针对断轴进行了各种检测和失效分析，以便采取相应的技术措施，消除类似的安全隐患。
1、断轴宏观检查分析
图1 断轴的侧面形貌 图2 断轴的断口形貌
由图1可以看出，输入轴断裂的轴向位置在键槽的端部而非键的端部（二者间距约为3cm）。断轴的键槽部位形貌显示键槽与键配合处基本完好，键槽的两侧无变形和损伤现象，说明键连接无受力过大的情况，即轴传递扭矩时无过载。按照轴的受力状态分析，扭矩载荷作用在轴上的薄弱部位在键的端部，而弯矩载荷作用在轴上的薄弱部位在键槽的端部。由此可以初步判断，扭矩不是造成轴断裂的唯一载荷因素，还有附加弯矩作用。并且，在减速机运行时，无冲击情况下扭矩变化较小，不足以构成疲劳交变应力，而由于轴连接装配不当产生的附加弯矩在轴每转一圈就变化一次，具有明显的疲劳交变应力特征[5，6]。
由图2可以看出，轴的断口与轴线垂直，断口表面比较平整，基本无塑性变形，没有大面积撕裂痕迹，由此排除瞬间过载断裂的可能性。并且，轴的整个断口分裂纹起始源区、大范围扩展区和最后瞬断区三个区域，断口宏观形貌符合疲劳断口宏观特征[7，8]。轴裂纹源区位于断口键槽一侧，向另一侧扩展，最后在另一侧的边缘最后断裂。
轴的断口扩展区占大部分区域，裂纹源区和最后瞬断区很小，说明造成断裂的疲劳载荷较小，而减速机使用时间很短（100小时），这说明交变载荷不是造成轴短期断裂的唯一因素，可能还有轴材质缺陷等因素产生作用。
2、轴断口微观检测分析
将断轴切割成小的断口试样，用S-3400N型日立扫描电镜分析断口试样的微观形貌。由图3可以看出，轴裂纹萌生源区即键槽处没有加工缺陷和大尺寸夹杂物，裂纹源为多源性扩展形式，体现出疲劳台阶形态。由图4可以看出，轴的断口扩展区高倍微观形貌，发现了明显的微观平行条纹形态—疲劳辉纹特征，这说明轴的断裂失效性质为机械疲劳。
图3 断口源区微观形貌（200倍） 图4 断口扩展区微观形貌（1500倍）
3、轴金相组织检测分析
将断轴试样经过研磨和抛光，用4%硝酸酒精浸蚀，制备成金相试样，用蔡司金相显微镜对试样的微观缺陷和金相组织进行分析。
由图5可以看出，轴的金相试样经过硝酸酒精腐蚀后，宏观形貌显示出明显的肉眼可见条带形状，这说明其微观组织分布可能存在带状异常。
由图6可以看出，轴的金相组织100倍下形态不均匀，呈现明显的带状偏析，由此导致轴的组织不均及机械性能差异较大，存在薄弱区域，造成轴的机械强度和抗疲劳性能偏低。
图5 轴金相试样浸蚀表面宏观形貌
图6 轴金相组织微观形貌（100倍） 图7 轴近表面金相组织微观形貌（200倍）
由图7可以看出，轴的金相组织为索氏体，属于淬火+高温回火的金相组织，说明轴经过了调质热处理工艺。轴的金相组织中，非金属夹杂物尺寸较小，数量较少，不足以影响轴的强度。
轴的材质为18CrNiMo7-6（中国牌号17Cr2Ni2Mo低碳合金钢），属于表面硬化合金钢，常用作齿轮部件，由于含碳量低，一般需要进行表面渗碳处理，以提高表面硬度和抗疲劳性能。而由图7可以看出，轴近表面的金相组织同中间区域组织一样，未发现渗碳层，这说明轴表面未经过渗碳强化处理，由此也导致其抗疲劳性能偏低。
4、分析结论
（1）减速机输入轴的断口分析确定其失效性质为机械疲劳，排除设备瞬间过载造成轴断裂的可能性；
（2）轴虽然进行了调质热处理，但是金相组织轴向带状偏析严重，由此导致组织不均以及机械性能差异较大，存在薄弱区，并且轴表面未经过渗碳强化处理，这些造成轴的机械强度和抗疲劳性能偏低，是导致轴断裂的内在因素；
（3）造成轴疲劳断裂的载荷条件可能是装配等因素导致的附加弯矩而产生的疲劳交变应力，这是导致轴断裂的外在因素。
（4）针对以上失效原因，采取了改进输入轴热处理工艺，消除组织缺陷，以及轴表面渗碳强化处理的措施，并且，提高减速机与电机装配精度，消除附加弯矩载荷。这些措施保证了减速机未再发生断轴事故。
参考文献：
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作者简介：
王华刚，男，工程师，2004年毕业于鞍山钢铁学院，现从事动设备管理工作。
论文作者:王华刚
论文发表刊物:《基层建设》2019年第22期
论文发表时间:2019/10/29
标签：金相论文; 断口论文; 形貌论文; 组织论文; 键槽论文; 减速机论文; 疲劳论文; 《基层建设》2019年第22期论文;