火炬回收機電機轉子軸斷裂分析

王海平 蘇婷婷 馬小強 楊海軍

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)

某石化公司火炬回收機電機轉子軸在運行過程中，發現電動機振動突然增大，隨后電動機停止運行，檢查發現電動機轉子軸伸端已經斷裂，電動機定子、轉子有輕微掃膛的痕跡。檢查運行記錄發現，一年前由于該軸的磨損比較嚴重，出現軸承跑套故障，在維修過程中，對軸的磨損部位進行堆焊處理。類似磨損事故已經連續發生多次。筆者對轉子軸斷裂部位和未斷裂部位分別取樣分析，探討了該軸斷裂的原因，同時為防止此類故障的發生提出了建議。

1 轉子軸運行工況介紹

電動機轉子軸材料為40Cr鋼，非軸伸端規格為φ150 mm×1500mm，軸伸端規格為φ100 mm×500mm。主要技術參數為：

型號 YAKK 4501- 2

功率 450kW

額定電壓 6kV

額定電流 53.6A

額定轉速 2 980r/min

2 試驗分析

2.1宏觀檢查

圖1為轉子軸斷口宏觀形貌，可以看出斷口灰暗，粗糙不平，裂紋源起始于軸表面，并沿周向擴展，斷裂區有明顯的塑性變形。

圖1 斷口宏觀形貌

2.2化學成分分析

材料化學成分的波動，尤其是構成材料的主要化學元素的含量對材料熱處理的性能會產生顯著的影響[1]。采用SPECTROLAB直讀光譜儀對斷裂軸材料進行了化學分析，結果見表1。可以看出，斷裂軸的化學成分符合GB/T 3077- 1999對40Cr鋼的要求。

2.3力學性能檢驗

表1 化學成分

在軸完好部位1/2半徑處取樣進行常溫拉伸試驗和沖擊試驗，結果見表2。可以看出，強度低于標準值，且沖擊吸收功非常低，不符合標準要求。1/2半徑處布氏硬度為210～215HB，堆焊區的布氏硬度范圍為199～233HB，GB/T 3077- 1999標準要求布氏硬度不大于207HB，硬度基本符合要求。綜合力學性能可知該軸強度不符合技術要求，韌性差、缺口敏感度高。

表2 力學性能

2.4金相檢驗

在離斷裂部位10mm處取樣進行微觀組織觀察，取樣位置如圖2所示。可以看出有明顯的堆焊層，斷口附近徑向截面堆焊層金相組織為鐵素體+珠光體+魏氏體，如圖3所示，分析表明堆焊層內部存在多處層間未熔合，并伴有大量魏氏體組織，從而降低了堆焊層的力學性能和使用性能。

圖2 金相取樣位置

圖3 堆焊層金相組織

宏觀檢查完好部位徑向截面邊緣處組織和1/2半徑處組織均為珠光體+網狀鐵素體，如圖4、5所示，屬典型的正火組織，晶粒度5～7級，但組織不均勻，并伴有微裂紋存在。而標準要求40Cr鋼做軸類零件應進行調質處理，正常的組織為回火索氏體。軸原材料夾雜物形貌如圖6所示，根據GB/T 10561- 2005，夾雜物級別分別為A類3.0級，B類1.0級，C類1.5級，D類2.0級和DS類0級。

圖4 軸完好部位徑向截面邊緣處金相組織

圖5 軸完好部位徑向截面1/2半徑處金相組織

圖6 非金屬夾雜物 ×100

2.5斷口掃描電鏡與能譜分析

采用JSM- 6510掃描電鏡對斷口斷裂源區進行微觀形貌觀察，如圖7所示。

由圖7a可以看出邊緣堆焊區域與基體存在明顯分層現象，有較多的夾雜物存在，表明堆焊工藝不合理。由圖7b可以看出斷口存在大量疲勞紋，局部區域存在因高溫和扭曲形成的熔化形貌。由圖7c、d可以看出典型的撕裂區，存在大量韌窩。

圖7 斷口形貌

對斷口處白色區域進行能譜分析，結果顯示O、Al、S含量很高，表明夾雜物為氧化物和硫化物。

3 討論

40Cr 鋼經過調質處理后，具有良好的綜合力學性能和低溫沖擊韌性、較低的缺口敏感性以及淬透性良好等優點[2]。如果鍛造和軋制工藝控制不當，毛坯中往往會存在成分偏析、原始組織晶粒粗大以及內部組織分布不合理等冶金與組織缺陷[3]。如果熱處理工藝選擇不合理，這些不良組織就會存在于軸的內部，降低材料的使用性能，縮短軸的服役壽命。

根據以上檢驗結果分析認定該軸的最終熱處理不符合標準要求，導致其組織異常，力學性能不合格，又由于原材料存在大量夾雜物，最終導致了使用過程中磨損非常嚴重。堆焊處理后，由于堆焊工藝不合理，現場維修條件限制，時間緊迫，不能進行焊后熱處理，導致堆焊后缺陷較多，這些缺陷處的應力集中非常高，在應力作用下裂紋向內部快速擴展，導致了軸的斷裂。

4 結論與建議

4.1原材料存在大量夾雜物，并伴有微裂紋存在，組織中存在網狀鐵素體，由于熱處理工藝不當，力學性能不合格。

4.2軸表面修復時堆焊層的焊接工藝不合理，線能量過大，導致焊接部位出現層間未熔合和大量魏氏體組織。

4.3建議加強原材料的控制和性能檢測，定期檢查電動機振動情況。

4.4建議電機檢維修過程中優化焊接工藝、安裝過程中提高裝配精度可避免焊接缺陷的產生。

[1] 閻光宗，徐雪霞，孫澎.40Cr鋼磨煤機軸斷裂失效分析[J].金屬熱處理，2011，36(9)：104～105.

[2] 曾正明．機械工程材料手冊[M]．北京: 機械工業出版社，2005: 174．

[3] 盧銀德，楚堂明，朱萬山．工業泵曲軸斷裂原因分析與工藝改進[J]．金屬熱處理，2008，33(6):105～106．