水泵葉輪軸斷裂原因

杜佳美

(中天鋼鐵集團有限公司, 常州 213011)

軸主要用來支承傳動零部件,起到傳遞扭矩和承受載荷的作用,在機器中用來支承齒輪、帶輪等傳動零件,以傳遞轉矩。軸的突然斷裂嚴重影響著機組的安全運行,研究軸的斷裂原因對保證其生產安全、可靠運行具有非常重要的實際意義[1]。

某公司生產的某批次水泵葉輪軸在服役半年左右發生多次斷裂,遠沒有達到設計使用年限要求,該葉輪軸材料為40Cr鋼,型號為HS250-200-650A,生產工藝為調質→機械加工(包括粗加工及精加工)→裝配。

筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、低倍檢驗、掃描電鏡(SEM)分析、金相檢驗、硬度測試等方法分析其斷裂原因,以防止該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

水泵及葉輪軸斷裂位置附近宏觀形貌如圖1所示,拆卸后的斷裂葉輪軸宏觀形貌如圖2所示,現場使用火焰切割方式取樣。從現場取回的斷裂葉輪軸宏觀形貌如圖3所示,該軸表面質量較好,沒有發現明顯的車刀痕等加工缺陷。

圖1 水泵及葉輪軸斷裂位置附近宏觀形貌

圖2 拆卸后的斷裂葉輪軸宏觀形貌

圖3 從現場取回的斷裂葉輪軸宏觀形貌

葉輪軸斷裂位置為軸承內套圈附近,該處軸直徑為65 mm,斷口較為平整,斷面基本與軸向垂直,沒有明顯的塑性變形,斷面有輕微磨損痕跡,未發現其他冶金缺陷。斷面分為3個區域,即起裂區、裂紋擴展區和瞬斷區[2-3],斷裂起源于軸外表面工藝退刀槽處,外表面臺階處為斷裂源,斷裂性質為多源扭轉疲勞斷裂(見圖4)。

圖4 斷裂葉輪軸斷面宏觀形貌

1.2 化學成分分析

在斷裂葉輪軸上截取試樣,使用直讀光譜儀進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知:該斷裂葉輪軸的化學成分符合GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》對40Cr優質鋼的要求。

表1 斷裂葉輪軸的化學成分分析結果 %

1.3 掃描電鏡分析

對葉輪軸斷口進行掃描電鏡分析,發現斷裂源處主要呈韌窩形貌,屬于脆性斷裂;裂紋擴展區所占面積較大,向內呈放射狀,主要以解理形貌為主,也存在少量的韌窩形貌以及二次裂紋(見圖5);瞬斷區顏色呈金屬光亮色,且呈明顯撕裂狀態,位于起裂區對側。

圖5 斷裂葉輪軸起裂區與裂紋擴展區SEM形貌

1.4 低倍檢驗

在葉輪軸附近截取橫向全截面試樣,按GB/T 226—2015 《鋼的低倍組織及缺陷腐蝕檢驗法》對試樣進行酸蝕后,其低倍形貌如圖6所示,按GB/T 1979—2001 《結構鋼低倍組織缺陷評級圖》進行低倍組織缺陷評級,結果如表2所示,未發現較嚴重的低倍缺陷,滿足GB/T 3077—2015對40Cr優質鋼酸浸低倍組織合格級別的規定。

表2 葉輪軸低倍組織缺陷評級結果 級

圖6 斷裂葉輪軸全截面試樣低倍形貌

1.5 金相檢驗及硬度測試

在斷裂葉輪軸試樣斷口處截取金相試樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖7～9所示,由圖7～9可知:斷裂源附近組織為貝氏體+珠光體+鐵素體,軸表面淬硬層組織為貝氏體+少量回火索氏體。

圖7 斷裂葉輪軸試樣斷口處縱向微觀形貌

圖8 斷裂葉輪軸試樣斷裂源附近縱向微觀形貌

圖9 斷裂葉輪軸表面淬硬層微觀形貌

取葉輪軸斷裂試樣截面進行維氏硬度測試,軸表面淬硬層維氏硬度約為285 HV,基體維氏硬度約為245 HV。

2 綜合分析

該批次葉輪軸運轉時發生多次斷裂,而之前批次和更換其他批次葉輪軸后均沒有發生斷裂問題,說明該批次葉輪軸斷裂可能與軸的質量存在一定關系。葉輪軸運行過程中主要承受扭轉力作用,軸的表面所受的扭轉力最大,如軸表面存在加工缺陷或較大的截面尺寸變化(如退刀槽處、不同截面直徑過渡區等),在這些區域都會產生較為嚴重的應力集中,這些區域為易發生疲勞開裂的區域。由斷口分析可知:葉輪軸表面質量較好,沒有發現明顯的車刀痕等加工缺陷。葉輪軸斷裂發生在軸承內套圈附近位置,斷裂起源于軸端密封側工藝退刀槽處,該位置截面尺寸變小,局部應力高于平均應力[4-5],使得有效應力的集中系數增大,在泵工作時,該處一直承受著較大的扭轉應力,外表面臺階處為斷裂源,屬于多源扭轉疲勞斷裂,多源疲勞斷裂的各個裂紋源不是在同一平面上,伴隨著裂紋的擴展,裂紋連接時,在不同平面之間的連接處形成臺階、折紋等印記,臺階越多,表示材料所受的應力或應力集中程度越大,疲勞源的數目越多,證明葉輪軸斷裂性質屬于疲勞斷裂。

由金相檢驗及硬度測試可知:葉輪軸經調質處理(淬火+高溫回火)后應得到回火索氏體組織[6-7]。該葉輪軸斷裂試樣斷裂源附近組織為貝氏體+珠光體+鐵素體,軸表面淬硬層組織為貝氏體。軸表面淬硬層維氏硬度約為285 HV,基體維氏硬度約為245 HV,說明葉輪軸生產加工時的熱處理(調質)效果不佳, 正常調質后40Cr鋼的強度及韌性高,為回火索氏體組織,但該軸表層產生了大量脆性較大且硬度(強度)較低的貝氏體組織,回火索氏體的含量非常少,導致軸表面強度不足,在調質工藝的淬火過程中,由于淬火溫度偏低或冷卻速率過慢,組織未充分奧氏體化,出現未溶解的鐵素體或貝氏體組織,因此斷定熱處理工藝存在問題。加上表面淬硬層(貝氏體層)深度過淺,工藝退刀槽幾乎將淬硬層全部車削掉,使扭轉應力最為集中的工藝退刀槽處的表層組織為貝氏體+珠光體+鐵素體,其強度進一步下降。

3 結論及建議

該水泵葉輪軸斷裂性質為疲勞斷裂,在制造過程中的熱處理工藝欠佳,使軸表面硬度及強度很低,受較大扭轉力時容易在表面形成疲勞裂紋,并隨著裂紋擴展葉輪軸最終發生斷裂。建議嚴格控制熱處理工藝,保證葉輪軸材料的顯微組織符合要求并具有良好的綜合力學性能,提高工藝退刀槽的加工精度,減小應力集中程度。