大型擠壓造粒機(jī)組螺桿芯軸的斷裂原因

于鳳云,戚 琳,史淑艷,鄒龍江

(大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,大連 116024)

大型擠壓造粒機(jī)組是聚烯烴產(chǎn)品生產(chǎn)中聚合物粉料改性的核心裝備，經(jīng)混煉、擠壓、造粒等過(guò)程將聚合物粉料制成粒料，以便于計(jì)量稱(chēng)重、包裝運(yùn)輸及后續(xù)加工[1-3]。G4335VA鋼螺桿芯軸是大型擠壓造粒機(jī)的關(guān)鍵零部件，生產(chǎn)過(guò)程中螺桿芯軸通過(guò)芯軸外齒與多組螺旋元件內(nèi)齒之間的嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)，可以在擠壓和加熱聚合物粉料的同時(shí)進(jìn)行熟料輸送。G4335VA鋼螺桿芯軸經(jīng)鍛造成型→車(chē)削加工→調(diào)質(zhì)處理→磨削銑齒等工序后，具有良好的韌性、耐磨性及抗冷熱疲勞性能[4-5]。在實(shí)際生產(chǎn)中，螺桿芯軸一端(生料輸入端)固定在軸承座上，另一端(熟料輸出端)為無(wú)支點(diǎn)水平懸臂，較大的徑向壓力、軸向拉力、來(lái)自螺旋元件的摩擦力以及頻繁的冷熱交變作用增加了螺桿芯軸在長(zhǎng)期服役過(guò)程中發(fā)生故障的幾率[2-3]。

為找到某廠(chǎng)大型擠壓造粒機(jī)組螺桿芯軸在運(yùn)行期間頻繁斷裂失效的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了理化檢驗(yàn)與分析，并提出改進(jìn)措施，以期為大型擠壓機(jī)的生產(chǎn)、使用和維護(hù)提供參考。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀(guān)觀(guān)察

螺桿芯軸斷裂發(fā)生在支撐軸承座附近的生料輸入及混煉段，具體為芯軸外連接的兩個(gè)螺旋元件，即第10節(jié)與第11節(jié)的連接處。斷裂失效的螺桿芯軸及螺旋元件宏觀(guān)形貌如圖1所示，可知芯軸外齒表面有明顯擠壓痕跡，且痕跡位于斷口附近的齒頂處。分析認(rèn)為，在運(yùn)行過(guò)程中螺旋元件與芯軸齒側(cè)不可避免地產(chǎn)生接觸擠壓，從而使相鄰兩螺旋元件于芯軸的結(jié)合處產(chǎn)生擠壓痕跡。螺旋元件及內(nèi)齒宏觀(guān)形貌如圖2所示，從內(nèi)齒幾何形狀可知，全部?jī)?nèi)齒頂線(xiàn)棱角尖銳，無(wú)過(guò)渡圓角，這種外形結(jié)構(gòu)會(huì)加劇螺旋元件與芯軸之間的擠壓磨損。

圖1 斷裂螺桿芯軸宏觀(guān)形貌Fig.1 Macro morphology of fractured screw mandrel:a) overall morphology; b) enlarged morphology near fracture

圖2 螺旋元件宏觀(guān)形貌Fig.2 Macro morphology of screw element: a) cross section; b) inner teeth

螺桿芯軸斷口的宏觀(guān)形貌如圖3所示，可見(jiàn)斷口具有疲勞斷裂特征[6-7]，主裂紋源位于3號(hào)齒頂，存在明顯的疲勞弧線(xiàn)和疲勞臺(tái)階；疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)(平滑表面)面積較大，瞬斷區(qū)面積較小；次裂紋源位于19號(hào)齒頂處，裂紋擴(kuò)展區(qū)面積較小；主次兩個(gè)疲勞裂紋源不在同一個(gè)平面，但都在芯軸齒頂處且沿徑向?qū)ΨQ(chēng)分布。

圖3 螺桿芯軸斷口宏觀(guān)形貌Fig.3 Macro morphology of fracture on screw mandrel: a) overall morphology; b) morphology of crack source area

1.2 斷口微觀(guān)分析

采用掃描電鏡(SEM)對(duì)圖3a)中斷裂螺桿芯軸的3，19，22號(hào)齒進(jìn)行觀(guān)察。圖4a)為主裂紋源齒頂SEM形貌，圖4b)為次裂紋源齒頂SEM形貌，均呈擠壓開(kāi)裂磨損特征，圖4c)為22號(hào)齒頂SEM形貌，其邊緣呈快速撕裂特征；圖4d)～e)分別為3號(hào)和19號(hào)齒裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM形貌，可見(jiàn)明顯的疲勞條帶，說(shuō)明芯軸斷裂為齒頂擠壓磨損產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致的疲勞斷裂；圖4f)為22號(hào)齒瞬斷區(qū)的SEM形貌，存在明顯的韌窩花樣，進(jìn)一步說(shuō)明斷裂芯軸為典型的疲勞斷裂[8-9]。

圖4 螺桿芯軸斷口SEM形貌Fig.4 SEM morphology of fracture on screw mandrel: a) top of tooth 3; b) top of tooth 19; c) top of tooth 22; d) crack propagation area of tooth 3; e) crack propagation area of tooth 19; f) transient fracture area of tooth 22

1.3 化學(xué)成分分析

在芯軸斷口處取樣，按照J(rèn)B/T 11145—2011《X射線(xiàn)熒光光譜儀》和GB/T 20123—2006《鋼鐵 總碳硫含量的測(cè)定 高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法(常規(guī)方法)》的技術(shù)要求對(duì)芯軸進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。可見(jiàn)斷口處化學(xué)成分符合企業(yè)技術(shù)文件對(duì)芯軸材料的要求，排除因芯軸材料成分不達(dá)標(biāo)而導(dǎo)致斷裂失效的可能性[10]。

表1 斷裂芯軸的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of fractured mandrel (mass fraction) %

1.4 金相檢驗(yàn)

根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》的技術(shù)要求對(duì)芯軸心部和裂紋源附近的夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果均低于0.5級(jí)，如圖5a)和圖5b)所示。根據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》的技術(shù)要求，將試樣浸蝕后觀(guān)察其顯微組織，可知顯微組織均為具有馬氏體位向的回火索氏體，組織特征與調(diào)質(zhì)處理狀態(tài)的G4335VA鋼芯軸的吻合，如圖5c)和圖5d)所示。芯軸中的非金屬夾雜物和顯微組織均符合企業(yè)內(nèi)部質(zhì)量控制技術(shù)文件的要求。

圖5 斷裂芯軸的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of fractured mandrel: a) morphology near the fatigue crack source without etching; b) morphology of corepart without etching; c) morphology near the fatigue crack source after being etched; d) morphology of core part after being etched

1.5 力學(xué)性能測(cè)試

分別按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》、GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》和GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求對(duì)芯軸力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。從芯軸外表面向心部間隔1/3R依次取樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)和橫向沖擊試驗(yàn)，在芯軸齒頂及芯軸中心處分別取樣進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果如表2～4所示。結(jié)果表明，G4335VA鋼芯軸的力學(xué)性能均符合企業(yè)技術(shù)文件的要求。

表2 芯軸室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Tensile test results of mandrel at room temperature

表3 芯軸沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Impact test results of mandrel J

表4 芯軸布氏硬度測(cè)試結(jié)果Tab.4 Brinell hardness test results of mandrel HB

2 分析與討論

G4335VA鋼螺桿芯軸的化學(xué)成分、顯微組織和力學(xué)性能等指標(biāo)均符合企業(yè)技術(shù)文件的要求，排除了因成分、夾雜和熱處理工藝等因素導(dǎo)致芯軸斷裂失效的可能性。

對(duì)斷裂芯軸進(jìn)行宏觀(guān)觀(guān)察可知，斷口明顯存在主次兩個(gè)裂紋源區(qū)、兩個(gè)裂紋擴(kuò)展區(qū)和一個(gè)瞬斷區(qū)，且主次兩個(gè)疲勞裂紋源不在同一個(gè)平面。在交變應(yīng)力的作用下，芯軸外齒表面應(yīng)力最大，而芯軸外齒表面的壓痕、擦傷等往往是疲勞裂紋形核的位置[11-12]。螺旋元件與芯軸之間相互擠壓的原因與螺旋桿及嚙齒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)密切相關(guān)。螺旋桿整體結(jié)構(gòu)為懸臂梁式，在自身重力的作用下，芯軸必然會(huì)產(chǎn)生一定的下?lián)献冃危沟眯据S轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不同軸。此時(shí)，螺旋元件與芯軸連接處上部受拉應(yīng)力，而徑向?qū)ΨQ(chēng)的下部則受壓應(yīng)力，造成芯軸下部?jī)蓚€(gè)相鄰螺旋元件相互碰撞產(chǎn)生切向擠壓，使得芯軸表面形成圖1所示的擠壓痕跡。由于芯軸斷裂發(fā)生于物料輸入端的軸承座附近，此處螺旋元件與芯軸齒頂側(cè)向擠壓痕跡明顯，且擠壓痕跡位于相鄰兩個(gè)螺旋元件結(jié)合部位的齒頂處，壓痕大小、深淺不同。在交變應(yīng)力的作用下，主裂紋源先開(kāi)始發(fā)生擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展區(qū)較大，次裂紋源擴(kuò)展區(qū)較小，是后產(chǎn)生開(kāi)裂的地方，在靠近次裂紋源處發(fā)生斷裂。由此判斷，相鄰螺旋元件與芯軸之間的擠壓摩擦是疲勞裂紋萌生的主要原因。

同時(shí)，芯軸外齒和螺旋元件內(nèi)齒齒頂棱角尖銳，無(wú)過(guò)渡圓角，這種結(jié)構(gòu)極易在齒頂和齒根處產(chǎn)生應(yīng)力集中。此外，在螺旋桿工作運(yùn)行期間，生料受熱軟化的同時(shí)芯軸溫度也隨之上升，芯軸表面及心部溫度不均勻，產(chǎn)生熱應(yīng)力。在循環(huán)應(yīng)力、齒頂棱角應(yīng)力集中以及芯軸內(nèi)部熱應(yīng)力的共同作用下，最終導(dǎo)致了芯軸的疲勞斷裂。

3 結(jié)論及建議

螺桿芯軸斷裂模式為疲勞斷裂，疲勞裂紋萌生于齒頂部。相鄰螺旋元件與芯軸之間的擠壓摩擦是疲勞裂紋萌生的主要原因，齒頂棱角尖銳、無(wú)過(guò)渡圓弧導(dǎo)致應(yīng)力集中的同時(shí)也加劇了芯軸表面的擠壓磨損。

建議優(yōu)化螺旋桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小因芯軸下?lián)献冃嗡鶎?dǎo)致的螺旋元件與芯軸之間的擠壓磨損；同時(shí)改進(jìn)芯軸齒頂線(xiàn)設(shè)計(jì)與加工工藝，避免或者減少因加工和維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致螺桿芯軸局部產(chǎn)生應(yīng)力集中。