樞軸

作者：馮顯磊，翟展新等

單位：山推工程機(jī)械股份有限公司

來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志

樞軸（見(jiàn)圖1）支承整個(gè)推土機(jī)的重量，以某機(jī)型為例，推土機(jī)重達(dá)15t。由于客戶(hù)使用工況復(fù)雜，在推土作業(yè)過(guò)程中又受到較大的沖擊力，在設(shè)計(jì)時(shí)要求樞軸具有足夠高的抗疲勞強(qiáng)度、優(yōu)良的沖擊韌度。材質(zhì)一般采用中碳合金鋼，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理達(dá)到良好的綜合力學(xué)性能。樞軸斷裂在工程機(jī)械部件失效案例中極為罕見(jiàn)，尤其是脆性斷裂。

本文通過(guò)對(duì)突然失效斷裂樞軸進(jìn)行了宏觀斷口、掃描電鏡、顯微金相、光譜、力學(xué)性能等理化方面的檢測(cè)，并結(jié)合制造工藝分析了造成樞軸斷裂主要原因，通過(guò)改進(jìn)措施，解決了該問(wèn)題。

1.樞軸的制造及裝配

為確保樞軸良好的綜合力學(xué)性能，目前樞軸常采用中碳合金鋼，本文提到的樞軸采用40CrMn。

制造工藝流程：鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→半精加工→局部表面感應(yīng)淬火→精加工。樞軸裝配于臺(tái)車(chē)總成上，一端通過(guò)螺栓固定在推土機(jī)上，承受整臺(tái)推土機(jī)的重量，如圖2所示。

2.樞軸的失效斷裂及理化檢驗(yàn)

某機(jī)型推土機(jī)在工作服役過(guò)程中突然斷裂失效，其工作環(huán)境為工況復(fù)雜的山石開(kāi)采和水泥砂漿施工工地，工作環(huán)境為10～35℃。斷裂位置位于樞軸裝配軸承后與臺(tái)車(chē)架安裝結(jié)合處（見(jiàn)圖3），宏觀斷口光亮而平齊，無(wú)疲勞貝紋線等特征，斷口擴(kuò)展區(qū)具有“人字紋”花樣，軸直徑100mm，為典型脆性斷裂（見(jiàn)圖4）。

采用光譜儀對(duì)其成分進(jìn)行檢測(cè)分析，成分合格，經(jīng)計(jì)算材料的DI值在110～120，處于該材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求的中線范圍，淬透性能適中，其材料成分如表1所示。

表1 樞軸材料成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

在距軸1/4R處取直徑20mm室溫拉伸試樣，及截面為10mm×10mm夏氏比擺錘沖擊試樣，分別做拉伸及沖擊試驗(yàn)，判定標(biāo)準(zhǔn)分別執(zhí)行GB/T 228—2010及GB/T229—2007。

表2 樞軸材質(zhì)力學(xué)性能

取斷口處試樣經(jīng)過(guò)碾磨、拋光后，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀測(cè)金相組織，圖5顯微金相顯示基體材質(zhì)明顯的軋制流線，流線帶上較多鐵素體，主要是斷后正火不夠充分，沒(méi)有完全消除，這種鍛造遺留不良組織在沿軋制流線方向強(qiáng)度高、韌性好，而垂直于流線方向強(qiáng)度、韌性均較差，而樞軸裝機(jī)后受到臺(tái)車(chē)的切應(yīng)力正垂直于樞軸材質(zhì)的軋制方向，此為造成樞軸斷裂的原因之一。

圖6為樞軸斷裂處的倒角形狀，原設(shè)計(jì)為R1倒角，由于制造工藝問(wèn)題，造成該處倒角呈現(xiàn)V字型缺口，極易導(dǎo)致應(yīng)力在該處應(yīng)力集中，為造成樞軸斷裂為主要原因，同時(shí)基體組織為珠光體+密布的塊狀鐵素體，主要為淬火加熱溫度偏低，造成未完全奧氏體化。

圖7為樞軸最表層組織為回火索氏體及少量的游離鐵素體組織，但該層組織較淺僅為5mm左右，逐步向珠光體+鐵素體過(guò)渡，主要為淬火加熱溫度低加上淬火冷卻緩慢造成。從圖8硬度梯度曲線也體現(xiàn)了組織的不均勻性，最表層至心部硬度為280～256HBW，整體硬度低。

取斷口處試樣鑲嵌后做SEM電鏡分析，斷口相貌無(wú)韌窩，主要以“冰糖葫蘆”狀的沿晶斷裂，局部存在河流花樣的解離及準(zhǔn)解理穿晶斷裂，斷口處物其它非金屬化合物，判定樞軸為脆性斷裂。

3.樞軸斷裂原因分析

通過(guò)以上分析，造成樞軸斷裂的原因由多方面的綜合因素引起。

（1）樞軸材質(zhì)采用的軋制鋼材沒(méi)有經(jīng)過(guò)充分正火或退火，保留了原軋制態(tài)較多的帶狀組織，造成垂直于軸向的強(qiáng)度、韌性均降低。

（2）在隨后的熱處理調(diào)質(zhì)過(guò)程中加熱不充分，基體組織沒(méi)有完全奧氏體化，殘留了較多的塊狀鐵素體組織，在淬火時(shí)又由于冷卻速度慢造成淬透性差，經(jīng)回火后僅在5mm以?xún)?nèi)的表層處獲得了理想的回火索氏體。

（3）工藝設(shè)計(jì)問(wèn)題，在樞軸斷裂處存在R1的倒角，但倒角不規(guī)范，加工后程“V”字形缺口，導(dǎo)致應(yīng)力在該處集中，增加了缺口敏感程度。

（4）設(shè)備的服役條件惡劣及客戶(hù)使用操作方式不當(dāng)，例如在山石開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)，連續(xù)撞擊或推運(yùn)超過(guò)設(shè)備負(fù)荷難以移動(dòng)的石塊。

4.預(yù)防措施

（1）確保基體組織均勻性，保證基體具有良好的綜合力學(xué)性能。對(duì)于直徑較大的軸類(lèi)軋制毛坯，在軋制、鍛造后，要求充分退火或正火處理，消除軋制偏析、帶狀組織等不均勻組織。

（2）調(diào)質(zhì)淬火加熱溫度不易太低，對(duì)于大型鍛件淬火加熱溫度要到Ac3+30～50℃，使奧氏體均勻化，淬火時(shí)冷卻速度不易太慢，對(duì)于采用油冷淬火，應(yīng)開(kāi)啟淬火攪拌泵，并對(duì)油換熱，保證油溫。

（3）承受重載、沖擊的大型樞軸倒角不應(yīng)過(guò)小，制造工藝上應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖樣進(jìn)行倒角，避免刀痕或不良倒角造成的V型缺口存在，本文案例將倒角增大至R3，并嚴(yán)格規(guī)范倒角工藝，該問(wèn)題再?zèng)]發(fā)生過(guò)。

（4）客戶(hù)使用者，應(yīng)按照使用說(shuō)明，在設(shè)備可承受的負(fù)荷范圍內(nèi)使用設(shè)備，且乎在環(huán)境惡劣的工況下超負(fù)荷長(zhǎng)期工作。

5.結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)失效斷裂的樞軸理化檢測(cè)、制造工藝及使用工況分析，確定造成樞軸斷裂事故的主要原因?yàn)樵牧辖M織不均勻，導(dǎo)致沿軸向力學(xué)性能降低；倒角過(guò)小及倒角不規(guī)范造成V形缺口，增加了缺口敏感性，為樞軸的斷裂的主要原因；客戶(hù)的過(guò)載使用助推了樞軸的斷裂失效。并通過(guò)改軋制、鍛后熱處理使組織均勻化，改善倒角工藝等措施消除了該類(lèi)似部件的安全隱患。

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