燒結(jié)制粒機(jī)滾圈裂紋原因分析

冉 鐵，張 琦

（四川省達(dá)州鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司）

1 引言

我公司的燒結(jié)制粒機(jī)（尺寸為φ4 200mm×22 000mm），于2010年9月15日投入試生產(chǎn)，在2012年1月10日的檢修過程中發(fā)現(xiàn)在滾圈上出現(xiàn)較多裂紋。此滾圈的基本信息是：材質(zhì)為35鋼，單重為28 230kg，外徑為4 760mm，內(nèi)徑為4 200mm，壁厚250mm，寬度為1 160mm，要求為整體鍛造。

2 檢驗(yàn)

2．1 宏觀分析

在滾圈表面可見很多裂紋存在，裂紋均大致沿著滾圈縱向（寬度方向）分布，并不平直，有些長約半個(gè)滾圈寬度，有些長為整個(gè)滾圈寬度，見圖1。滾圈表面存在聚集分布的凹坑，見圖2，大部分裂紋與凹坑并存，見圖3、4。

2．2 化學(xué)成分

取滾圈開裂部位樣塊進(jìn)行化學(xué)成分復(fù)查，為避免取樣誤差，取雙樣檢測，檢測結(jié)果如表1所示。可以看出，滾圈化學(xué)成分與國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的35鋼的成分差別很大，含碳量很低，低于0．10%，Si、Mn含量也高于國家標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值。

圖1 滾圈宏觀形貌，表面可見很多裂紋

圖2 表面聚集分布的凹坑

圖3 表面聚集分布的裂紋與凹坑

圖4 表面聚集分布的凹坑與裂紋

2．3 硬度測試

取滾圈樣塊進(jìn)行硬度測試，結(jié)果如表2所示。可以看出，滾圈心部的硬度平均值為160HBS，表面的硬度平均值為226HBS，表面的硬度高于心部的硬度。

表1 化學(xué)成分（wt%）

表2 硬度測試值

2．4 非金屬夾雜物

取滾圈開裂部位樣塊進(jìn)行非金屬夾雜物判別，根據(jù)GB／T 10561－2005進(jìn)行測定和評(píng)級(jí)，材料中的非金屬夾雜物為：球狀氧化物，級(jí)別為大于3級(jí)。非金屬夾雜物形貌如圖5、6所示。

2．5 低倍酸浸試驗(yàn)

取滾圈開裂部位的樣塊，按照GB 226－1991“鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法”進(jìn)行低倍酸浸試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。可以看出，材料中未見較嚴(yán)重的低倍缺陷，但有帶狀特征（圖中箭頭所示為帶狀方向），分析認(rèn)為，該帶狀特征與滾圈經(jīng)過了鍛造工藝加工有關(guān)。

圖5 非金屬夾雜物 ×100

圖6 非金屬夾雜物 ×400

2．6 金相組織

取滾圈開裂部位樣塊進(jìn)行金相組織判別。金相試樣經(jīng)過腐蝕后，肉眼可見試樣表面明亮程度不一，如圖8所示。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，圖8中灰暗的弧形區(qū)域的金相組織如圖9、10所示，為等軸狀晶粒，而圖8中閃亮狀塊狀區(qū)域的金相組織如圖12、13所示，為長條狀晶粒，圖11為二者的交界處。分析認(rèn)為，形成等軸狀晶粒與長條狀晶粒共存的情況可能與鍛造有關(guān)。

圖7 低倍酸浸后的形貌

圖8 金相試樣經(jīng)過腐蝕后表面明亮程度不一

圖9 圖8中灰暗的弧形區(qū)域?yàn)榧?xì)小的等軸晶粒 ×100

圖10 細(xì)小的等軸晶粒 ×400

圖11 等軸晶粒與長條晶粒交界處，線條標(biāo)記為交界 ×100

圖12 長條晶粒交界 ×100

2．7 斷口形貌

將圖5中開裂部位通過機(jī)械加工的辦法截取后，打開發(fā)現(xiàn)如圖14所示，可見：

（1）圖5中滾圈表面的裂紋雖然未貫穿，但打開后內(nèi)部斷口光亮，磨損嚴(yán)重，見圖14。

（2）斷口上有一個(gè)凸臺(tái)，該處左右兩側(cè)的紋路均從此處向外發(fā)散，這說明凸臺(tái)為裂紋源，見圖14。

圖13 長條晶粒 ×100

圖14 斷口磨損嚴(yán)重

3 分析與討論

3．1 滾圈質(zhì)量

從低倍酸酸浸試驗(yàn)（圖7）和金相試樣腐蝕后的宏觀形貌（圖8）看，材料中存在帶狀特征和較明顯的變形痕跡，分析認(rèn)為，這與滾圈經(jīng)過了鍛造工藝加工有關(guān)。

滾圈化學(xué)成分與國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的35鋼的化學(xué)成分差別很大（見表1），含碳量很低，低于0．10%，Si、Mn含量也高于國家標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值，即原材料成分有誤。

滾圈中非金屬夾雜物為球狀氧化物，級(jí)別高于GB／T 10561－2005中的最高級(jí)別3級(jí)。

3．2 滾圈開裂方式

在滾圈表面可見很多裂紋存在，裂紋均大致沿著滾圈縱向（寬度方向）分布，并不平直，有些長約半個(gè)滾圈寬度，有些長為整個(gè)滾圈寬度（圖1）。裂紋打開后內(nèi)部斷口光亮，磨損嚴(yán)重（圖14）。斷口上有一個(gè)凸臺(tái)，該處左右兩側(cè)的紋路均從凸臺(tái)處向外發(fā)散，這說明凸臺(tái)為裂紋源（圖14）。分析認(rèn)為，這種凸臺(tái)裂紋源的存在，以及滾圈表面聚集凹坑的存在（圖2），還有大部分裂紋與凹坑并存（圖3、4）的情形，均符合“接觸疲勞”開裂方式的特征。

3．3 關(guān)于接觸疲勞

對(duì)于接觸疲勞而言，往往其表面存在很大的應(yīng)力場，首先從接觸表面以下的最大交變切應(yīng)力處的薄弱處（如夾雜物處）產(chǎn)生顯微裂紋，這是接觸疲勞的疲勞源或裂紋生核階段。淺表層裂紋斜向表面擴(kuò)展，當(dāng)與表面相連時(shí)，被裂紋包圍的金屬塊就會(huì)產(chǎn)生剝離，形成不同的剝落形狀，視程度不同可為點(diǎn)狀（如點(diǎn)蝕或麻點(diǎn)剝落），也可為小片狀（淺層剝落），還可隨著剝落面的逐漸擴(kuò)大，而向深層擴(kuò)展，形成深層剝落。綜上所述，接觸疲勞剝落經(jīng)歷了裂紋萌生—裂紋擴(kuò)展—裂紋連接—?jiǎng)冸x脫落幾個(gè)過程。

3．4 開裂原因與過程

從開裂滾圈看，原材料成分有誤，含碳量太低，不符合GB699－1999“優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼”對(duì)35鋼的成分規(guī)定，造成材料強(qiáng)度低，再加上材料中夾雜物級(jí)別高（超過GB10561－2005“鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法”的最高級(jí)，即3級(jí)）。因此，當(dāng)滾圈工作時(shí)，由于表面受到強(qiáng)大的壓應(yīng)力和切應(yīng)力，滾圈從表層或次表層的最大交變切應(yīng)力處（特別是夾雜物聚集分布處）開始產(chǎn)生裂紋，再擴(kuò)展至表面造成片狀或塊狀剝落，隨后以剝落處為裂紋源，逐漸向壁厚方向擴(kuò)展，形成深層次的裂紋，即產(chǎn)生圖1～4中肉眼可見的大尺寸裂紋。

4 結(jié)論

（1）滾圈的化學(xué)成分不符合GB／T699對(duì)35鋼的成分規(guī)定，以及夾雜物級(jí)別太高是滾圈開裂的主要原因。

（2）滾圈的開裂為“接觸疲勞”開裂方式。