陳高林　孫銀
（梅山鋼鐵公司熱軋板廠，南京　210039）

　　摘　要：熱軋板廠的E1立輥軋機的十字軸發生斷裂，通過對斷口的宏觀觀測、金相分析，十字軸的材質、機械性能測試（shì）以及理論計算，得出此軸的斷裂與其熱處理的碳濃度和溫度的控製（zhì）不（bú）當有關，而與設備的設計無關。本分析結（jié）果對今後設備的加工工藝具有重要的指導意義，即熱處理的溫度控製及碳濃度控製（zhì）必（bì）須嚴格（gé）執行規定的工藝製度，不得以“提高爐（lú）溫來替代保溫”的方法（fǎ）加（jiā）快熱處理的速度。
　　關鍵（jiàn）詞：十字軸；斷裂；溫度
　　熱軋板廠的E1立輥主軸為達涅利設（shè）計，國內某大型加工廠（chǎng）製造。由於在（zài）材料熱處理的過程中，違反（fǎn）了工藝流程，擅自提高爐溫，加快溫升速（sù）度，達到了縮短熱處理時間的（de）目的，結果導致主軸的內部產生了顯微裂紋和網狀碳化物，致使主軸的強度下降，發生了斷裂。通過對此軸的故障原（yuán）因進行分析，得出隻有嚴格執行加工工藝，才（cái）能保證設備（bèi）的加工質量（liàng）。
　　1　故障（zhàng）過程
　　E1立輥主（zhǔ）軸為立輥的關鍵傳動設備，於2012年2月27日上線使用，在軋製過程中（zhōng）未發生超載或堆鋼現象。但在2012年9月20日，主軸的十字軸軸頸發生（shēng）了異音（yīn），停機檢查發現E1工作側主軸的減速機端十字軸的一根支軸（zhóu）發生了斷裂，遂立即停機更換。整個（gè）事故造成軋線停（tíng）機22h，本主軸累計上線時間僅6個月20天。十字軸在斷裂前共經曆了18.8萬次應力循環，遠小於（yú）100萬次（cì）應力循環的設計壽命。
　　2　主軸結構
　　本（běn）主（zhǔ）軸結構見圖1。

　　本十字軸由輥側叉頭、輥側十字軸、中間軸、減速箱側十字軸、減速箱側叉（chā）頭等組成。十字軸與叉頭通過關節軸承連接，本（běn）次斷裂發（fā）生在圖示的a處。經查，本主軸的（de）型號為SWC700D，Z大回（huí）轉直徑為700mm，十字軸直（zhí）徑為300mm，材料為18Cr2Ni4WA，並經滲（shèn）碳和（hé）淬火處理（lǐ）。
　　3　故障分析
　　3.1宏（hóng）觀斷口形貌分析
　　圖2是十（shí）字軸斷口截麵圖，可以發現十字軸頭裂（liè）源區A，其磨平區域從（cóng）表麵開始（shǐ），說明斷裂起始（shǐ）於表麵裂紋，裂紋擴展區B占據了斷麵的（de）絕大部分麵積，貝殼紋（wén）不明顯（xiǎn），但（dàn）能大致看出貝（bèi）紋線繞著裂源區向外（wài）凸起，說明材料對缺（quē）口不敏感。宏觀斷口（kǒu）表明，疲勞源在十字軸一側根部，向另一側根部擴展，並在另一側根（gēn）部發生瞬間斷裂。E1軋機是單向軋製，關節承受脈（mò）動扭矩（jǔ），斷（duàn）口呈現的特征與十字（zì）軸（zhóu）承受的載荷是吻（wěn）合的。分析還發現裂紋（wén）源區A與瞬（shùn）斷區C的麵積較小，不到整個斷口麵積的1/10，說明在斷裂之前的裂紋擴展過（guò）程中軋（zhá）製力矩（jǔ）較小，且十字（zì）軸有較大的強度富（fù）餘。

　　3.2化學成分（fèn）分析
　　通過對十（shí）字軸的（de）材質進行（háng）化驗，其成分分析結果見表1。將失效的十字軸與JB/T6396—2006所要求的十字軸材質成分進行比對，發現所使用的材質滿足國（guó）標要求。

　　3.3機（jī）械性能測試
　　對斷裂件進行性能測試，其結果見表2。顯然（rán），斷裂件的抗拉強度和衝擊功滿足圖紙要求，但塑（sù）性（xìng）延伸強度Rp0.2較差，初步懷疑是熱處理工序存在瑕疵所致。

　　3.4硬度和硬化層深度
　　對斷裂（liè）件進行硬度和硬（yìng）化層深度測試，其結（jié）果見表3。數據表明，表麵硬（yìng）度符（fú）合圖（tú）紙要求，硬化（huà）層深度也符合要求，但心部硬度（dù）約偏高HRC4，初（chū）步懷疑是熱處理的淬火溫度偏高所致。

　　3.5金相組（zǔ）織
　　對（duì）斷（duàn）裂件（jiàn）進行金相組織測試，其結果見表4。可以發現，斷裂（liè）件的斷口存（cún）在顯微裂紋和網狀碳化物。顯微裂紋的存在是由（yóu）粗大的馬氏體（tǐ）而（ér）產生的，粗大馬氏體則是由淬火溫（wēn）度偏高所致。而網狀碳化物的產生，判定為是滲碳過程中碳濃度不合適而導致的。

　　斷裂件的斷口影（yǐng）像見圖3、圖4。

　　3.6十字軸強度分析
　　查閱圖紙資料可知，本十字軸的承載額定扭矩為540kNm。考慮各種影響，並進行有限元分析，顯（xiǎn）然十字軸的設計滿足現場的需求。
　　1）十字軸的應力Z大點位於軸頭根部，能長（zhǎng）期承受1910kNm（3.5倍額定扭矩）的脈動疲勞載荷，叉頭的應力Z大（dà）點位於45°方向，能長期承受1000kNm（1.83倍額定扭矩）的脈動疲勞載荷。
　　2）十字軸在傳遞大於2275kNm（4.15倍額定扭矩）的扭矩時發生強度破壞，叉頭則（zé）在傳遞大於1910kNm（3.5倍額定扭矩）的（de）扭矩（jǔ）時發生強度破壞。
　　3）十（shí）字軸承受疲勞載荷的能力高於（yú）叉頭，在承受（shòu）疲勞載荷時，叉頭應先於十字軸發生破壞。
　　4　原因確（què）認
　　根據上述的檢查、化驗、檢測及計算，可以排（pái）除十字軸（zhóu）的設計因素和材質因（yīn）素。終端原因則是指向（xiàng）熱處理（lǐ）工藝的瑕（xiá）疵，經查材質18Cr2Ni4WA的熱處理溫度一（yī）般不得超過850℃，當熱處理溫度在950～1000℃時，就會產生粗大馬氏體、顯微裂紋及網狀碳化物。由（yóu）於這（zhè）些瑕疵的存在，致（zhì）使設備的塑性較差，並存在疲勞裂紋的發源區（qū），進而導致十字軸斷裂現象的發生。通過對生產廠家的調查，發現本設備的熱處理工序是在冬天實施的，而廠家為了減少熱處理時間，加快了熱處理的速（sù）度（dù），有意通過提高爐內溫度（dù）來替代保溫所需要的長時（shí）間（jiān）等待，並提高了爐內的碳（tàn）濃度，從而給十字軸的斷裂留下了（le）隱患，這也驗證了上述分析。通過（guò）分析研究，可以得（dé）出以下結論：
　　1）十字（zì）軸的原設計（jì）滿足生產需求；
　　2）十字軸的化學成分符合JB/T6396—2006中定義的18Cr2Ni4WA標準；
　　3）十字軸的力學性能、衝擊功、滲碳層深度及硬度滿足圖紙要求（qiú）；
　　4）十字軸的滲碳層沿晶裂紋（wén）和網狀碳化物與熱處理的碳濃度和淬火溫度的控製不當有關。
　　5　結論
　　通過對（duì）本次事故的分析，建立了新品製（zhì）作的過程管理（lǐ）製度，即在新品製作（zuò）時，要（yào）求（qiú）生產廠家嚴（yán）格按照工藝（yì）流程進行材質的熱（rè）處理，並對其進行過程管理（lǐ），提供材質的熱處理工藝流程及可視資料，從而有效地保證新品的製作質量（liàng）。新品上線之後，已經安全使用了2年，效（xiào）果良好。

來源：《梅山科技》2016年第1期