（中国石油辽阳石化分公司热电厂 辽宁辽阳 111003）
概述
辽阳石化分公司热电厂共七台410T/H燃煤锅炉，每台锅炉配有两台低速钢球磨煤机，磨煤机检修中多次发现主驱动轴研轴现象，并采用激光熔敷修复，本文根据现场实例简要分析激光熔敷质量控制对主驱动轴寿命的影响，为以后类似检修工作提供借鉴。
热电厂1#锅炉甲侧磨煤机主传动轴2016年2月16日发生断裂。磨煤机型号：DTM320/570，为沈阳重型机械厂产品；主传动轴转速为150r/m，接触介质为：锂基脂润滑油；工作环境为常温常压；主传动轴材质为45钢（锻件），经调质处理，技术要求：硬度HB228~269。2007年投入使用，至今使用时间接近10年。
1.检验分析
1.1断口宏观形貌
磨煤机减速机主传动轴断裂在主传动齿轮与减速机对轮之间的支撑轴承处，见图1。该轴断裂处有一个Φ230mm到Ф240mm的轴肩台阶。
为了方便分析，将两个相匹配的断口标记为A和A′。主传动轴断口处没有明显的塑性变形，断口平整，其上有大量“贝壳状”条纹，最后的瞬断区很小，且不在轴的中心区域；裂纹源在轴表面处，为单一裂纹源。
宏观断口分析认为，主传动轴的断裂性质为旋转弯曲疲劳断裂。
1.2主传动轴材质分析
在主传动轴上取块状样品，使用光谱仪等，依据相关标准，对其材质进行化学分析。结果表明，主传动轴材质符合45钢的标准要求。
1.3主传动轴金相分析
由于主传动轴断裂在轴肩台阶附近，断口A′侧包括Φ230mm和Ф240mm的轴径，因此，金相（包括电镜、化学）样品均取于该侧断口上。
在主传动轴断口A′边缘处（裂纹源）和中心处切取金相样品。经预磨、抛光后，用4%硝酸酒精溶液腐刻，在显微镜下观察分析。使用HV-1型硬度计，对主传动轴断口A′处各不同金相组织进行硬度测试（100g/15s）。
①硬度测试表明，白亮镀层硬度为HV0.1416.5（HRC43.5，HB407），月牙形黑色层硬度为HV0.1463.6（HRC47.0，HB449）。
②在轴径Ф230mm与Ф240mm的轴肩r角处，没有白亮镀层和月牙形黑色层，均为母材组织珠光体+铁素体。
③在轴径Ф240mm的轴肩处（轴承装配处），在轴表面有多层不同组织存在。最表面白亮层为2000~3000μｍ厚的焊接组织，主要为铁素体+少量珠光体；并有焊接缺欠（孔洞）存在。
④在轴径Ф240mm的边缘处，有白亮区焊接组织出现，主要为铁素体+少量珠光体。
1.4断口扫描电镜分析
利用扫描电镜对主传动轴断口A′及轴表面激光淬火和镀层等进行分析。
①在断口A′的裂纹源处，有圆弧状的裂纹源，并有多条裂纹在该处存在；能谱分析表明，该处没有腐蚀性元素存在，即轴的断裂未受到外部介质的腐蚀作用，见图3。在断口A′的裂纹扩展区，有疲劳裂纹扩展台阶存在，但由于轴的疲劳开裂时间较长，造成断口表面的陈旧性，使得疲劳断裂的“辉纹线”不甚清晰，见图4。在断口A′的裂纹瞬断区，当疲劳裂纹扩展至临界尺寸（即轴的剩余截面不足以承受外载时的尺寸）后发生失稳快速破断，可见大量的韧窝存在。
②断口A′处轴表面白色镀层主要是由Ni、Fe等组成，见图5和表1-2。该镀层在断口处向内弯曲并减薄，这种情况只有轴表面镀层有凹坑时，剖面金相才会是这样，说明裂纹的起源在镀层凹坑缺陷处。
紧靠白色镀层处的黑色月牙形淬硬区由细小针状马氏体组成。
轴母材组织由层片状珠光体+块状铁素体组成。
1.5分析与讨论
①从主传动轴断口宏观、低倍形貌来看，该轴具有单一的裂纹源，产生在轴肩附近；断口上的裂纹扩展区较大，瞬断区很小且未在轴的中心，表明该轴运行状态平稳，受到应力较小。当疲劳裂纹在轴表面局部应力集中处产生后，逐步向内扩展，在断口上留下了大量清晰的疲劳裂纹扩展“贝壳状”弧线，当裂纹扩展到轴的剩余部分再也承受不了外部的载荷时，该轴就完全地断裂。主传动轴断裂性质为旋转弯曲疲劳断裂。
②主传动轴已经运行十年时间，轴表面多个受力部位会产生磨损，使得轴径尺寸减小，配合间隙加大，产生噪音、振动，甚至导致局部应力严重集中而萌生疲劳裂纹。通过对轴肩断口处的金相分析，确认该轴在本次断裂前的使用期间内进行过多项工艺的修复（技术档案有记载，2014年9月进行过激光熔敷处理）。
在轴径Ф240mm的轴肩处（即轴承装配处），轴该部位表面进行过焊接修复，焊接组织层厚2~3mm，主要为铁素体组织，硬度较低；焊接组织层内有焊接缺欠存在（气孔）。焊接造成与焊接组织接壤的热影响区产生了硬度很高的贝氏体+托氏体组织，且焊后未进行相应的热处理。但由于主传动轴断裂未在该轴径处，因此，该部位的焊接及热影响区等组织差异对轴的断裂影响很小。
裂纹产生在轴径Ф230mm、且距离轴肩r角6~7mm处，轴该部位表面进行过激光淬火+镀镍铁合金。由该轴装配来看，该部位轴表面会与轴套接触，长期运行，会有磨损。轴表面激光淬火和镀镍铁均可提高表面硬度，增加耐磨性；而镀镍铁还可修复轴该部位磨损掉的轴径尺寸，恢复与轴套的紧密配合。
45钢激光淬火组织主要以隐针马氏体组织和少数残留奥氏体为主[2]。在轴表面黑色月牙形组织在光学显微镜下分辨不清，在扫描电镜高倍放大可以看见针状马氏体组织。有研究表明[3]，当激光扫描开始与结束接口处没有完全对接上，以及硬化层深不均匀时，会影响疲劳寿命。轴类零件表面激光淬火硬化层形态通常有三种状态，一是淬硬层没有重叠，导致淬硬层交界处存在软化区，产生严重应力集中，这是激光表面淬火应该防止的，见图6A；二是淬硬层重叠不够，也会造成硬化层深不均匀，会产生一定程度的应力集中，见图6B；三是淬硬层重叠良好，硬化层深均匀，工件表面形成一个压应力层，可以提高其抗疲劳性能，这是激光表面淬火的理想状态，见图6C。主传动轴的裂纹起始处正是激光淬火接口部位，即金相上看到的两个黑色月牙形相互重叠处，该处激光淬火层相互重叠较少，硬化层深不均匀，容易产生疲劳裂纹。
（A-淬硬层没有重叠；B-淬硬层重叠不够；C-淬硬层重叠良好）
镀镍铁层硬度和耐磨性随着镀层中Fe含量的提高而增加[4]。在主传动轴表面断口A′裂纹源附近，由于靠近镀层边缘，出现了漏镀点-镀层凹坑，同时镀层表面磨损出现沟痕、开裂剥离等，这些地方都会形成局部应力集中而产生疲劳裂纹。
③钢球磨煤机主传动轴上的负荷是一个交变负荷[5、6]，而且磨煤机的运行是间断式的，有较大的启动负荷，这也是造成疲劳裂纹产生和扩展的重要因素。
综合来看，在主传动轴表面局部应力集中处一旦产生疲劳裂纹，在交变负荷的作用下，就会慢慢地向内扩展，最终导致其发生旋转弯曲疲劳断裂。
2.结论
（1）主传动轴母材材质为45钢；母材金相组织为珠光体+铁素体；母材硬度HV0.1272.2（HB266），符合该轴技术图纸中HB228~269的要求。该轴为锻件，其纵、横向及轴边缘和中心处金相组织、晶粒大小未见明显差异。
（2）主传动轴不同轴径处经过多项表面处理或表面修复。断口附近装配轴承处（轴径Ф240mm）经受过焊接处理；断口处（轴径Ф230mm）经受过激光表面淬火和刷镀镍铁合金。
（3）主传动轴断裂性质为单源旋转弯曲疲劳断裂。导致轴疲劳断裂的主要原因有：一是激光表面淬火产生的月牙形淬硬层之间相互重叠不够，导致淬硬层深不均匀，在两个月牙形淬硬层之间容易出现硬度（强度）较低点，而产生局部应力集中，产生疲劳裂纹；二是轴镀镍铁层表面漏镀凹坑、镀层磨损沟痕、开裂剥落等也造成轴表面局部应力集中，而产生疲劳裂纹；三是主传动轴运行时的交变负荷作用，尤其是较大的启动负荷，也是造成疲劳裂纹产生和扩展的重要因素。
3.建议
（1）当主传动轴表面局部区域需要激光表面淬火时，要注意保证月牙形淬硬层之间的相互重叠，使得淬硬层深均匀。
（2）严格控制镍铁镀层质量，使其厚度均匀，避免产生漏镀凹坑；控制镀层中Fe含量，使其硬度与轴合理地配合，减少在镀层在使用时发生严重磨损、开裂剥落的可能性。
（3）在对轴检修后重新装配时，注意保证其同心度，防止轴表面的偏磨。
参考文献：
[1] GB/T 699-1999 优质碳素结构钢
[2] 陈学永，林福财，陈仕国.45钢激光淬火工艺的研究，铸造技术，2014，35（10）：2260
[3] 雷声，黄曼平，薛正堂，吴跃波.表面激光硬化轴承的疲劳失效分析，热加工工艺，2013，42（2）：219
[4] 项忠楠，戴品强，王涛，林志福，葛敏.可溶性阳极电刷镀镍铁合金镀层的研究，中国表面工程，2007，20（5）：45
[5] 王长有，李春文，秦东.DTM320/580型磨煤机传动齿轮轴断裂原因分析及防范措施，河南电力，2006（3）：47
[6] 陆明，徐彬. DTM350-600磨煤机大轴断裂分析，西北电力技术，2004（4）：29
论文作者:戴胜杰,王野,孙洪峰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第7期
论文发表时间:2017/7/4
标签：传动轴论文; 断口论文; 裂纹论文; 镀层论文; 表面论文; 金相论文; 疲劳论文; 《电力设备》2017年第7期论文;