大型擠壓造粒機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 材料科學與工程學院,大連 116024)

大型擠壓造粒機組是聚烯烴產(chǎn)品生產(chǎn)中聚合物粉料改性的核心裝備，經(jīng)混煉、擠壓、造粒等過程將聚合物粉料制成粒料，以便于計量稱重、包裝運輸及后續(xù)加工[1-3]。G4335VA鋼螺桿芯軸是大型擠壓造粒機的關(guān)鍵零部件，生產(chǎn)過程中螺桿芯軸通過芯軸外齒與多組螺旋元件內(nèi)齒之間的嚙合轉(zhuǎn)動，可以在擠壓和加熱聚合物粉料的同時進行熟料輸送。G4335VA鋼螺桿芯軸經(jīng)鍛造成型→車削加工→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)為無支點水平懸臂，較大的徑向壓力、軸向拉力、來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期服役過程中發(fā)生故障的幾率[2-3]。

為找到某廠大型擠壓造粒機組螺桿芯軸在運行期間頻繁斷裂失效的原因，筆者對其進行了理化檢驗與分析，并提出改進措施，以期為大型擠壓機的生產(chǎn)、使用和維護提供參考。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

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。分析認為，在運行過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)齒宏觀形貌如圖2所示，從內(nèi)齒幾何形狀可知，全部內(nèi)齒頂線棱角尖銳，無過渡圓角，這種外形結(jié)構(gòu)會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 螺旋元件宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of screw element: a) cross section; b) inner teeth

螺桿芯軸斷口的宏觀形貌如圖3所示，可見斷口具有疲勞斷裂特征[6-7]，主裂紋源位于3號齒頂，存在明顯的疲勞弧線和疲勞臺階；疲勞裂紋擴展區(qū)(平滑表面)面積較大，瞬斷區(qū)面積較?。淮瘟鸭y源位于19號齒頂處，裂紋擴展區(qū)面積較小；主次兩個疲勞裂紋源不在同一個平面，但都在芯軸齒頂處且沿徑向?qū)ΨQ分布。

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

1.2 斷口微觀分析

采用掃描電鏡(SEM)對圖3a)中斷裂螺桿芯軸的3，19，22號齒進行觀察。圖4a)為主裂紋源齒頂SEM形貌，圖4b)為次裂紋源齒頂SEM形貌，均呈擠壓開裂磨損特征，圖4c)為22號齒頂SEM形貌，其邊緣呈快速撕裂特征；圖4d)～e)分別為3號和19號齒裂紋擴展區(qū)SEM形貌，可見明顯的疲勞條帶，說明芯軸斷裂為齒頂擠壓磨損產(chǎn)生裂紋導致的疲勞斷裂；圖4f)為22號齒瞬斷區(qū)的SEM形貌，存在明顯的韌窩花樣，進一步說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 化學成分分析

在芯軸斷口處取樣，按照JB/T 11145—2011《X射線熒光光譜儀》和GB/T 20123—2006《鋼鐵 總碳硫含量的測定 高頻感應爐燃燒后紅外吸收法(常規(guī)方法)》的技術(shù)要求對芯軸進行化學成分分析，結(jié)果如表1所示?？梢姅嗫谔幓瘜W成分符合企業(yè)技術(shù)文件對芯軸材料的要求，排除因芯軸材料成分不達標而導致斷裂失效的可能性[10]。

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

1.4 金相檢驗

根據(jù)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法》的技術(shù)要求對芯軸心部和裂紋源附近的夾雜物進行評級，結(jié)果均低于0.5級，如圖5a)和圖5b)所示。根據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》的技術(shù)要求，將試樣浸蝕后觀察其顯微組織，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 力學性能測試

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

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

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

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

2 分析與討論

G4335VA鋼螺桿芯軸的化學成分、顯微組織和力學性能等指標均符合企業(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致芯軸斷裂失效的可能性。

對斷裂芯軸進行宏觀觀察可知，斷口明顯存在主次兩個裂紋源區(qū)、兩個裂紋擴展區(qū)和一個瞬斷區(qū)，且主次兩個疲勞裂紋源不在同一個平面。在交變應力的作用下，芯軸外齒表面應力最大，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，芯軸必然會產(chǎn)生一定的下?lián)献冃?，使得芯軸轉(zhuǎn)動時不同軸。此時，螺旋元件與芯軸連接處上部受拉應力，而徑向?qū)ΨQ的下部則受壓應力，造成芯軸下部兩個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。在交變應力的作用下，主裂紋源先開始發(fā)生擴展，裂紋擴展區(qū)較大，次裂紋源擴展區(qū)較小，是后產(chǎn)生開裂的地方，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，芯軸外齒和螺旋元件內(nèi)齒齒頂棱角尖銳，無過渡圓角，這種結(jié)構(gòu)極易在齒頂和齒根處產(chǎn)生應力集中。此外，在螺旋桿工作運行期間，生料受熱軟化的同時芯軸溫度也隨之上升，芯軸表面及心部溫度不均勻，產(chǎn)生熱應力。在循環(huán)應力、齒頂棱角應力集中以及芯軸內(nèi)部熱應力的共同作用下，最終導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、無過渡圓弧導致應力集中的同時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，減小因芯軸下?lián)献冃嗡鶎е碌穆菪c芯軸之間的擠壓磨損；同時改進芯軸齒頂線設(shè)計與加工工藝，避免或者減少因加工和維護不當導致螺桿芯軸局部產(chǎn)生應力集中。