壓力機曲軸斷裂原因分析及對策

陳希昌

（山東高密高鍛機械有限公司，山東 高密 261500）

我公司是生產機械壓力機的專業廠，具有50 多年的壓力機生產歷史。產品規格從250kN 到16000kN，計十幾個系列、200 多個品種。傳動系統是機械壓力機的重要組成部分，曲軸是傳動系統的主要部件。此前，在用戶處陸續發生了5 起1000kN 壓力機曲軸斷裂事故，在我公司幾十年的壓力機生產歷史上是從未發生的。這批發生曲軸斷裂的壓力機使用時間都不足兩年，遠未達到設計壽命，為早期失效破壞?，F場分析用戶處壓力機的實際負荷、檢查過載保護裝置的有效性運行情況，排除了超載使用造成破壞的可能性。通過查找曲軸的可追溯編號，確認這5 件曲軸為同一批毛坯。對此，公司上下非常重視，立即組織了專業小組，對失效曲軸進行分析，以便采取相應措施，從根本上杜絕曲軸斷裂失效事故的發生。

1 失效曲軸檢測

1.1 曲軸的技術要求和工藝流程

曲軸的形狀和斷裂部位如圖1 所示。材料為45鋼，基體調質要求硬度220～250HB。工藝流程：外購鍛坯→粗加工→熱處理調質→半精加工→熱處理高頻淬火→精加工→裝配。

1.2 曲軸的宏觀斷口形貌

肉眼觀察，所有曲軸斷口呈疲勞裂紋特征。擴展區光滑、貝紋線清晰，而最后斷裂區表面呈粗糙不平狀態，特征明顯，為典型疲勞斷裂。

1.3 成分測量

在斷口部位取樣，進行化學檢驗。結果為：含碳0.42～0.46%，硅 0.25～0.32%，錳 0.6～0.8%，硫含量不大于0.02%，磷含量不大于0.03%，為合格45 鋼。符合產品設計要求。

1.4 金相組織觀察

在斷口部位取金相試樣，在金相顯微鏡100 倍下觀察，存在大、小不一的網狀鐵素體，索氏體團的直徑大的超過3mm，最小的0.1mm，形成混晶結構；鐵素體從鐵素體網向網內生長，形成5 級魏氏組織；網狀鐵素體和魏氏組織都是非珠光體組織。

1.5 機械性能測定

從斷裂曲軸上取樣，制成抗拉強度試樣和沖擊韌性試樣。測量的結果是：抗拉強度480～530MPa，沖擊韌性Ak值為12～15J/cm2；用無金相缺陷的鋼材做的對比試樣的強度指標是：抗拉強度600～700MPa，Ak值為 40～50J/cm2。

2 曲軸斷裂失效的綜合分析

為查清上述不良組織的形成原因，我們與外協單位進行了多次生產流程跟蹤觀察，查閱生產記錄并進行了實驗，最后確認外協單位在鍛造加熱時為提高生產效率、降低成本，加熱溫度控制過高，裝爐量過大造成部分件加熱時間過長。而在鍛打后的冷卻過程中，由于工件本身尺寸和重量較大，毛坯又堆放在一起，使冷卻速度進一步降低。

45 鋼經鍛打并在空氣中冷卻后的正常組織為珠光體。但在鍛造過程中，如果工件毛坯在過高的溫度下加熱時間過長，便形成晶粒粗大的奧氏體組織，在隨后的冷卻過程中，珠光體在奧氏體晶界成核并長大，由于珠光體團直徑是由成核率和長大速度決定的，所以容易形成大直徑的珠光體團。珠光體團直徑越小，相界面多，在受到外力作用時，抗塑性變形的能力提高；同時，珠光體團直徑越小，則單位體積內珠光體片層排列方向越多，材料的塑性變形能力越大。因而既提高了強度又提高了韌性。反之，珠光體層間距和珠光體團直徑越大，強度和韌性都將隨之降低。如果鋼中的珠光體是在連續冷卻過程中形成，則轉變產物的珠光體團直徑不等，高溫形成的大，低溫形成的小，引起了抗塑性變形能力的不同。在外力作用下，抗塑性變形能力小的區域將會發生較大的變形，引起應力集中而破壞，使強度和韌性都降低。在工件粗加工后進行的調質過程中，珠光體轉變為索氏體（極細珠光體），大直徑的珠光體團轉變為大直徑的索氏體團，即把其危害性遺傳到調質轉變產物中。

鋼中出現的魏氏組織屬于二次魏氏組織鐵素體，之所以將其歸于二次魏氏組織，是因為可以明確看出魏氏組織是從網狀鐵素體向網內生長形成的。魏氏組織的出現，使工件的機械性能，尤其是沖擊韌性和塑性進一步降低。

壓力機運轉過程中，曲軸承受的是彎曲和扭轉的復合交變載荷，在內部形成交變應力，使曲軸對疲勞性能要求高。疲勞性能的降低將降低曲軸的承載能力。因此，金相組織不良是這次曲軸斷裂的主要原因。

從零件的幾何結構上分析，工件在運轉過程中，載荷在其受力截面的突變處形成應力集中，當這些部位的應力超過工件材料的強度極限時，工件就會發生斷裂破壞；當超過工件材料的疲勞強度極限時，工件將發生疲勞斷裂。因此，對承受交變載荷、對疲勞性能要求高的工件，其承載部位應避免應力集中。1000kN 壓力機曲軸的截面突變部位未采取圓角結構而采用銳角，從而形成應力集中，使曲軸的承載能力下降。因此，曲軸結構上的缺陷是其斷裂失效的重要原因。

另外，較大的工件表面粗糙度也降低了疲勞性能，因為粗糙度數值越大，工件對應力集中越敏感。

3 改進措施的制定和實施

（1）改進曲軸結構。將各臺階處的銳角分別改為R3 到R50 的圓角過渡，減小應力集中，改善曲軸內部應力狀態，提高承載能力。改進后的曲軸簡圖如圖2 所示。

（2）曲軸斷裂部位的圓角處粗糙度提高二個等級，其他表面提高一個等級。

（3）由于以前對曲軸毛坯的檢查只涉及化學成分和尺寸，未進行金相檢查，導致有金相缺陷的毛坯投入生產，造成這次斷裂失效，因此決定修改檢驗規程。新規程要求對所有壓力機的曲軸毛坯全部進行金相檢查，曲軸金相組織晶粒度等級達到5—9 級，帶狀組織不大于2 級，魏氏組織不大于2 級，無網狀鐵素體組織。

（4）有金相組織缺陷的材料，必須通過熱處理消除缺陷并經重新檢查，確認合格后才能投入使用。

網狀鐵素體和二次魏氏組織是兩種不同形態的組織，其轉變的機理也不同。網狀鐵素體形成過程中，α-Fe 進行共格切變，碳原子進行擴散；二次魏氏組織的形成依托網狀鐵素體，過程中不但有碳原子的擴散，還有鐵原子的擴散。因此要消除這兩種組織，不但要控制加熱溫度和時間，而且要掌握好冷卻的速度。通過試驗室和生產現場的驗證，制定如下工藝：890℃×240min 保溫，出爐風冷。金相檢查結果為：珠光體+塊狀鐵素體，晶粒度5—8 級，為正常平衡態組織。

通過制定改進措施并組織實施，十多年來，一直進行的跟蹤調查和售后服務過程中再也未發生曲軸斷裂失效的情況。證明避免有金相缺陷的毛坯投入生產，進一步改進曲軸幾何結構以及提高表面粗糙度是防止曲軸早期疲勞斷裂失效的有效手段。

4 小結

（1）保證產品質量、減少出廠設備故障是降低消耗、減少損失的重要方面。為此，不但要對本企業生產過程加強工藝紀律檢查，對外購、外協廠家也要按要求做好評價，考察其生產和服務過程。

（2）產品設計要不斷改進提高，創新發展，從源頭保證產品質量。

（3）面對新的市場條件，質檢工作也要做出及時反應、更新觀念，針對質量問題，提高檢驗要求，增加檢驗手段；嚴格按照ISO 9001-2000 質量體系標準的要求進行產品生產和服務的全過程。

[1]胡賡祥，主編.金屬學.上海：上海科學技術出版社，1980.

[2]劉連成，主編.金屬熱處理原理.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1987.

[3]劉云旭，主編.金屬熱處理原理.北京：機械工業出版社，1981.

[4]陳剛中.汽車連桿鍛造工藝與質量淺析.鍛壓裝備與技術，2009，44（4）.

[5]鹿建新.螺釘斷裂原因分析及改進措施.鍛壓裝備與技術，2007，42（2）.

[6]熱處理手冊編委會.熱處理手冊.北京：機械工業出版社，1991.