軋機主傳動軸萬向節(jié)失效分析及預防

熊 雯 趙雪松 陳燕才

(1.武漢科技大學 湖北 武漢：430081；2.武鋼有限技術中心 湖北 武漢：430080)

某熱軋廠R1下主傳動軸萬向接節(jié)在軋制SPHC鋼種時突然發(fā)生斷裂失效，導致現(xiàn)場停產(chǎn)16個小時。該萬向節(jié)為德國福伊特生產(chǎn)的H系列，型號H1080(詳見表1)，于2009年初安裝在1580粗軋機主傳動下軸軋輥側，并于2010年7月修復后上線使用。R1主傳動軸萬向節(jié)材質(zhì)為GS-33NiCrMo744結構鋼，調(diào)質(zhì)熱處理，具有良好塑性和韌性，合金化程度較高，淬透性較好，采用合理的熱處理工藝能得到良好的綜合性能，但鑄造形狀復雜零件時，易產(chǎn)生熱裂缺陷傾向。此次斷裂發(fā)生在萬向節(jié)接手處。

表1 H1080萬向節(jié)技術參數(shù)

1 萬向節(jié)工況分析

對比斷裂失效前后的電氣曲線，SPHC鋼種的來料溫度均在1000℃以上，R1上下輥子電機速度正常沒有上下抖動的跡象，電機電流整體來看也趨于平滑，沒有陡升陡降的現(xiàn)象，電流大小在1000A-1250A之間，低于報警值1500A，軋制厚度按照正常的二級在設定，R1單邊的軋制力也在1000噸以下，小于總軋制力3300噸的報警值，傳動側和操作側兩邊的軋制力偏差也在正常值50噸以內(nèi)，可以看出影響R1下主軸十字包的其它關聯(lián)設備的工況運行條件是正常的。

發(fā)生故障時：電機失速，電機電流達到1500A的報警值，軋制力出現(xiàn)異常變化，電機因為堵轉(zhuǎn)而發(fā)生跳閘，最終導致R1卡鋼。工況分析發(fā)現(xiàn)R1下主軸萬向節(jié)在發(fā)生故障斷裂之前的設備工況條件都正常，只是在軋制當塊鋼的時候發(fā)生了故障，從電氣曲線上未找到斷裂的原因。

2 宏觀斷口分析

R1傳動軸萬向節(jié)斷裂部位及疲勞擴展區(qū)形貌，如圖1所示，萬向節(jié)軸一側叉頭已斷裂掉落，另一側叉頭也已經(jīng)開裂，斷裂起源于叉頭內(nèi)壁，呈明顯的海灘狀疲勞。該特征為典型的疲勞斷裂斷口，疲勞源位于工作表面至3mm左右深度，疲勞擴展區(qū)表面光滑，可見清晰的疲勞裂紋擴展條紋。

圖1 掉落萬向節(jié)宏觀特征圖

3 化學成分分析

選取小塊檢驗斷軸化學成分，結果如表2所示。由表2結果可知：斷軸化學成分正常。

表2 化學成分分析

4 力學性能檢測

選取斷軸較厚部位沿軸向加工拉伸與沖擊試樣，進行機械性能檢測結果，如表3。由結果表明：斷軸的強度、沖擊功較低，斷面收縮率與延伸率很低，硬度為316HV左右，且分布均勻，已不屬于超高強度鑄鋼范疇，材料的塑性很差。

表3 力學性能檢測

拉伸實驗及沖擊實驗表明其抗拉慢度及抗沖擊性能低于標準要求，見表3。特別是沖擊值與標準要求相差較多，材料韌性較差，材料較脆，承受沖擊能力較弱。

5 顯微組織分析

5.1 低倍缺陷分析

將疲勞起源部位切割后，用酒精超聲波清洗，疲勞均產(chǎn)生于叉頭內(nèi)壁的表層和近表層，斷裂起源附近的內(nèi)壁可觀察到較多的氣孔，見圖2。剖開試樣，將斷面磨平、拋光、腐蝕，可見次表層有大量不均勻分布的疏松、孔洞，尺寸大約0.5～1mm左右，沿軸向呈帶狀分布，這是明顯的焊接缺陷。

圖2 萬向節(jié)疲勞源附近內(nèi)壁孔洞特征

5.2 顯微組織分析

在斷裂起源部位制備截面試樣，磨制拋光浸蝕后，叉頭內(nèi)壁可見明顯的焊接熔池、焊接熱影響區(qū)、叉頭基材三層組織分布特征，見圖3。

圖3 萬向節(jié)疲勞處組織特征

斷裂起源附近的焊接熔池內(nèi)有氣孔和夾渣，如圖4。

圖4 萬向節(jié)焊接熔池內(nèi)氣孔

熔池內(nèi)組織為針狀鐵素體+先共析鐵素體，過熱區(qū)組織為馬氏體，正火區(qū)組織為馬氏體，不完全正火區(qū)組織為馬氏體+貝氏體，叉頭基材組織為回火索氏體。

金相顯微鏡下觀察缺陷組織發(fā)現(xiàn)，裂紋就是從疏松孔洞處萌生、擴展的，表面微裂紋為二次擴展裂紋。萬向接軸叉頭斷裂起源于內(nèi)壁，呈疲勞斷裂特征。叉頭內(nèi)壁有明顯的焊接特征，焊接熔池內(nèi)有氣孔和夾渣，在氣孔和夾渣處應力集中，導致斷裂。

6 結論

(1)焊接缺陷是引起萬向節(jié)斷軸的主要原因，靠近叉頭工作面的次表層焊接孔洞缺陷部位局部應力集中，在剪應力的作用下產(chǎn)生疲勞裂紋源，在高的沖擊載荷作用下快速疲勞擴展，造成叉頭瞬斷失效。

(2)萬向節(jié)斷軸的力學性能不佳是引起斷軸的次要原因，斷軸的強度、塑性、韌性等機械性能指標較差，尤其是塑性指標很低，材料的裂紋敏感性強、抗裂紋萌生和擴展能力不足、抗沖擊變形能力不佳，對抑制斷裂失效不利。

7 改進措施

(1)提高材質(zhì)的純凈度并改進熱處理方式。

(2)每年大修對萬向節(jié)進行超聲波探傷，萬向節(jié)鍛件內(nèi)部質(zhì)量符合GB/T4162—91超聲波A級；對萬向節(jié)表面進行滲碳處理時對R角臺階處采取保護處理，100%表面熒光磁粉探傷，不允許有磨削裂紋。

(3)定期對萬向節(jié)處進行蒸汽清洗，及時清除軌道上的鋼渣及其它異物。定期調(diào)整清掃器，確保軌道干凈，減少附加阻力，延長萬向軸壽命。

(4)安裝主傳動部件在線監(jiān)測系統(tǒng)，時時監(jiān)測主傳動部件的運行情況。

(5)加強常規(guī)維護時，對萬向軸連接螺栓緊固情況、十字軸狀況等設備的點檢。

(6)不能過冷鋼，杜絕野蠻操作方式。避免猛烈啟動、急停、緊急換向等不正確的操作方式。