鏈輪斷裂事故分析

張彭博 沙勇

(歐薩斯能源環(huán)境設(shè)備(南京)有限公司 南京 210058)

在工業(yè)鍋爐中，燃燒室傳動裝置所用的傳動軸、鏈輪、爐排片等輔機材料都被視為非受壓材料，鍋爐生產(chǎn)企業(yè)對此類材料(零部件)一般只進行外觀尺寸檢驗，不做深入控制。某公司購進一批傳動裝置所用的鏈輪，在鍋爐安裝后使用時，接連發(fā)生鏈輪斷裂事故，給鍋爐用戶造成了很大經(jīng)濟損失，使公司的聲譽也受到了很大影響。對此事故，該公司組織相關(guān)人員對供應(yīng)廠家做了深入調(diào)查，并對鏈輪失效做了深入的檢驗分析工作，將檢驗結(jié)論反饋給廠商，同時給出了建議。廠商研究后接受了建議。經(jīng)過近一年多生產(chǎn)檢驗，該型號鏈輪運行穩(wěn)定，再未發(fā)生類似事故，取得了不錯效益。

1 宏觀檢查

該公司選用的是ZG270-500牌號的十六角鏈輪，該材料為鑄造成型。對鏈輪進行斷面檢驗，整個斷面無金屬光澤，淺灰色，有堅硬的棱角，類似碎石塊堆砌而成，為典型的石狀端口。另外斷面表面還存在許多光滑的坑穴，很明顯為氣孔，如圖1所示。

圖1 鏈輪斷裂面

2 化學分析

打磨去發(fā)生斷裂的鏈輪表面鐵銹和氧化皮，露出金屬光澤，用電鉆鉆取金屬鐵屑，按GB 223《鋼鐵及合金化學分析方法》的要求進行化學分析，分析結(jié)果見表1，從表1中可以看出發(fā)生斷裂鏈輪的化學成分滿足GB 11352—1989《一般工程用鑄造碳鋼件》中的ZG270—500牌號的要求。

表1 鏈輪化學成分 %

3 沖擊試驗

由于斷裂試樣尺寸過小，受鏈輪形狀限制，無法加工拉伸試樣，試驗采用測量材料的沖擊功的方法來反映材料的力學性能。

經(jīng)取樣加工成10×10×55，V型缺口，按GB/T 299—2007《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》進行試驗，其室溫沖擊功為8J、6J、5J。試驗結(jié)果遠小于GB 11352—1989中ZG270—500牌號的沖擊功Akv不小于22J的要求。

4 金相檢驗

4.1 非金屬夾雜物

對試樣按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗方論法》進行非金屬夾雜物檢查。發(fā)現(xiàn)除少量的灰黑色小點為氧化物夾雜，未見其它夾雜。

4.2 顯微組織

材料顯微組織為：粗片狀珠光體+網(wǎng)狀鐵素體+針狀鐵素體，如圖2和圖3所示。網(wǎng)狀鐵素體沿著片狀珠光體晶界分布，在晶界處鐵素體呈粗針狀并排向晶粒內(nèi)部生長，鐵素體分布在珠光體基體上的組織稱為魏氏體。依據(jù)GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評定方法》，該鑄件材料的魏氏體評定為A4級。根據(jù)GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》，該材料晶粒度評為0.5/1.0級，如圖2所示。

圖2 材料顯微組織圖(100×)

圖3 材料顯微組織圖(500×)

另外根據(jù)GB 224—2008《鋼的脫碳層深度測定法》，該試樣表層脫碳比較嚴重，脫碳層深度達0.4mm之多。脫碳情況如圖4所示。

圖4 材料顯微組織圖(100×)

5 組織分析

鑄鋼的熔點較高，鋼液易氧化，鋼水的流動性差，收縮大。為防止鑄鋼件因鋼液流動性差而產(chǎn)生的冷隔和澆鑄不足，鑄造時都會適當提高澆注溫度，一般約1500～1600℃。因澆注溫度高，鋼水的過熱度大，保持液態(tài)的時間長，流動性可得到改善。但是澆注溫度過高，冷卻緩慢，使得鑄態(tài)組織的晶粒十分粗大，一般晶粒度大于1.0級，而且鑄態(tài)組織中常出現(xiàn)嚴重的魏氏組織，這是由于鑄鋼凝固溫度很高，并在1495℃附近產(chǎn)生包晶反應(yīng)形成奧氏體，鑄件由于奧氏體形成溫度高，晶粒十分粗大，在冷卻通過GS線時，先析出鐵素體，然后進一步冷卻通過PS線時析出珠光體[1]。由于奧氏體晶粒粗大，可供鐵素體析出的晶界減少，所以鐵素體除了在晶界上呈針塊狀析出外，另一部分呈針狀或者短棒狀向晶內(nèi)析出，形成魏氏組織，使得鑄件脆性很大。同時鑄態(tài)也存在很大的鑄造應(yīng)力，使得鑄件脆性進一步增大。

網(wǎng)狀鐵素體主要也是因為溫度過高，冷卻速度過慢所引起的，網(wǎng)狀鐵素體能顯著降低鋼的力學性能。

鋼鑄件表面的氧化和脫碳是鐵和碳同周圍介質(zhì)作用的結(jié)果，金屬液澆注充型冷卻緩慢，鑄件長時間處于高溫環(huán)境下，型腔內(nèi)的空氣，以及型腔材料孔隙中存儲的氣氛等因素都會促使鑄件表面的氧化和脫碳。脫碳的存在，使得鑄件表面硬度降低，疲勞強度也大為降低。

鑄件由于形狀比較復雜，各部位冷卻先后次序不同，因此凝固過程是通過若干區(qū)域先后結(jié)晶來完成的，最后造成了區(qū)域性的成分不均勻和組織不一致。鑄件凝固時的冷卻速度越快，成分偏析和組織不均勻性的程度越嚴重。由于鑄件晶界處為最后的凝固區(qū)域，因而常會有顯微縮孔和夾雜物在此集聚，形成比較脆弱的界面。因此，該鏈輪鑄件的斷裂方式主要是沿晶斷裂，看到的斷面形貌黑灰色，無金屬光澤。

6 檢驗結(jié)論

綜合以上檢驗結(jié)果，可以看出，該鏈輪化學成分合格，非金屬夾雜物以極少量小點狀氧化物為主。斷口檢驗表明鏈輪為石狀斷口，材料的塑性、韌性降低，表明材料已經(jīng)嚴重過熱。沖擊試驗進一步驗證了材料的韌性已經(jīng)很低。金相顯微組織檢驗結(jié)果表明，粗大的珠光體+網(wǎng)狀鐵素體+魏氏組織是導致材料脆性增大, 塑性、韌性降低的根本原因。同時顯微組織檢查結(jié)果也進一步明確了材料嚴重過熱，這是導致鑄造鏈輪斷裂的根本原因。

7 改善措施

針對檢驗結(jié)果，對鏈輪生產(chǎn)工藝提出了幾點改進意見。

1)對組織粗大問題，調(diào)整熔煉脫氧方式，資料[2]顯示，熔煉過程中采用鋁進行終端脫氧比采用硅和錳脫氧時，一次結(jié)晶和二次結(jié)晶晶粒都將細化。另外，盡可能改善鑄型散熱條件也是減小晶粒粗大的比較有效措施。

2)減少防止脫碳的方法主要是設(shè)法用還原性氣氛代替氧化性氣氛，可行的辦法如：(1)在填砂中加木炭(10%，粒度不大于8)或滲碳劑等，使它們在高溫下反應(yīng)生成CO；(2)在制殼過程中，在型殼周圍涂上一層CO生成物質(zhì)，如石墨粉等。

3)采用完全退火或者正火處理。為了改善鑄態(tài)的粗大組織，細化晶粒，消除粗大的魏氏組織，減少成分偏析，消除鑄造應(yīng)力。鑄鋼件澆注成型后，常采用完全退火或者正火處理。

鑄鋼由于成分偏析，完全退火或正火溫度都比較高，一般是AC3以上50～70℃之間。對于鑄件中粗大的鑄造組織，當一次正火不能達到細化組織的目的時，可以采用二次正火，可獲得良好的組織結(jié)果。第一次正火在高于AC3以上150～200℃的溫度加熱，以擴散辦法消除粗大的組織，使成分均勻；第二次正火以普通條件進行，目的是細化組織，改善性能。

8 結(jié)束語

本文對該事故進行了全面的分析，盡管相關(guān)規(guī)程未作強制檢驗要求，但作為鍋爐本體的配套件，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著鍋爐使用客戶對相關(guān)鍋爐制造廠家提供的鍋爐產(chǎn)品的整體形象。希望通過本文能引起廣大鍋爐制造企業(yè)對非受壓材料(部件)的重視。

[1]機械工業(yè)理化檢驗人員技術(shù)培訓和資格鑒定委員會編.金相檢驗[M].上海:上?？茖W普及出版社，2003.

[2]傅恒志，等.鑄鋼和鑄造高溫合金及其熔煉[M].西安:西北工業(yè)大學出版社，1985.