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泰兴减速机输出轴断裂原因分析

发布时间:2018-03-27 23:37:00 点击:


泰兴减速机:输出轴是动力输出装置的关键零件,某公司生产的减速机输出轴用于技术改造工程项目的搅拌设备中。牌号:16MnCr5,直径为120mm。使用不到一年,15台搅拌设备的减速机中输出轴,已陆续出现5台减速机的低速轴断裂现象。对该批断裂输出轴进行断裂原因分析,此断裂输出轴为其中5根断轴之一。


1、理化检验情况


1化学成分检验


任取输出轴断口附近试样进行化学成分检验,结果如表1:



2力学性能检验


取非断口处输出轴进行力学性能试验,结果如表2:



3宏观低倍组织


截取轴中非断口的横截面进行宏观低倍组织检验,结果如表3:



4断口检验


1、宏观断口观察 

清洁断口表面后发现断面锈蚀,但从现场的另一断口判定,锈蚀应是断后的污染所致。从断口的裂形态上看,该断轴断口为疲劳断口。疲劳源位于该输出轴表面退刀槽的机加工尖角缝处(图1~图2)。在疲劳源区与断裂区的交界处(即断裂源左、右两侧)边缘,退刀槽的台阶均已磨损、挤压变形(见图3)。



2、扫描电镜微观断口观察 

截取图4中断裂源关键部位2#和终断区6#试样,在扫描电镜下进行断口微观观察,结果发现:疲劳源处有机加工刀痕,断裂由表面向内扩展,断裂为准解理和沿晶脆性断裂(见图4~图6)。



5非金属夹杂物检验


1、非断口处的非金属夹杂物观察 

在输出轴纵截面上,按GB/T10561标准规定的取样部位,截取大于200mm2面积试样,选用A法进行非金属夹杂物观察,结果为:A2,A1e,B1.5,B1e,D1,D0.5e;B类夹杂多为TiN夹杂。


2、断口处的非金属夹杂物观察 

断口及其裂纹处均未见有夹杂物聚集。


6金相显微组织观察 


分别对输出轴的横截面和纵截面进行金相组织观察,详见如下:


1、横截面显微组织 

对图4中2#试样进行断口与非断口的横截面组织检验,均为:铁素体+珠光体,魏氏组织1.5级,并有混晶。轴表面附近的混晶较其他部位严重,即12%晶粒度2级、88%晶粒度4级;其余晶粒度4级(见图7)。


2、纵截面显微组织

  • 断口及其附近显微组织 

对图4中1#、2#、3#、7#进行纵截面金相组织观察,组织均为铁素体+珠光体、带状组织1.5级、魏氏组织1.5级(见图8~图9);其中,断口处轴表面附近的组织晶粒较粗大、网状铁素体较其它部位明显(见图10~图11)。


  • 内部裂纹及其附近显微组织 

内裂纹多为沿晶和穿晶裂纹,裂纹两边局部的组织晶粒度稍有差异(见图12)。


2、结果分析 


1、化学成分检验结果分析

该输出轴的化学成分检验结果显示,除元素Mn含量略低于EN10084-1998中的规定值外,其他元素均符合EN10084-2008中规定的要求。


2、力学性能检验结果分析 

作为减速机重要的传动部件,该材料力学性能检验值较低,没发挥出16MnCr5钢力学性能的优势。


3、宏观低倍组织结果分析 

从该输出轴的横截面试片上的检验结果看,未发现有异常的低倍组织存在。


4、断口检验结果分析

  • 宏观断口结果分析 

由输出轴的宏观断口检验结果显示:断口为疲劳断口,疲劳源位于该输出轴表面台阶机加工缺陷处,并由此向内扩展;说明该输出轴在制造过程中,局部表面存在机加工缺陷。输出轴在使用时,在该缺陷处产生了应力集中,由此萌生裂纹并扩展,最终断裂;同时,输出轴由于受扭力及交变应力等作用的影响,使裂口两端变形并且运转受阻,故而受到挤压和磨损。


  • 断口微观结果分析 

断口微观结果显示,疲劳源由机加工刀痕而起,并由此扩展;终断区组织为准解理沿晶的脆性断裂组织。


5、非金属夹杂物结果分析

该输出轴非断口处的非金属夹杂物未见异常;断口及其裂纹处均无非金属夹杂物聚集。


6、金相显微组织结果分析

  • 横截面 

该输出轴横截面上的组织为:铁素体+珠光体、并有魏氏组织,晶粒较粗大;说明该输出轴锻后的热处理工艺控制不当,使输出轴内部出现了过热组织。该组织对于输出轴来说,不但不能发挥出16MnCr5钢的良好机械性能,反而增大了输出轴的脆性,使其机械性能大大降低。


  • 纵截面 

输出轴纵截面上组织呈带状组织、局部(即近表面)组织中的铁素体呈网状、针状分布,仍与锻后的热处理工艺相关。带状组织的存在使输出轴的力学性能形成各向异性,降低了输出轴的塑性、冲击韧性和断面收缩率等。 


综上所述,该输出轴的原材料中锰元素含量低于EN10084-2008中规定值要求;在输出轴的机加工过程中,局部表面存在机加工尖角,导致此部位产生了较大的应力集中,再加热处理工艺不当,使其内部出现了过热组织和带状组织,这些不良的组织,不但不能发挥出16MnCr5钢良好的力学性能优势和功效,反而大大降低了该输出轴的综合力学性能,并增加了输出轴组织的脆性。因此,输出轴使用时,首先在局部表面的机加工尖角缺陷处萌生疲劳裂纹并向内扩展,而不良的热处理组织,加速了该输出轴的裂纹扩展,进而,最终导致输出轴断裂失效。 


3、结论  


该输出轴的断裂主要是由其表面局部存在的机加工刀痕产生的应力集中和不当的热处理工艺而引起的。


4、建议和改进措施 


  • 改进输出轴机加工工艺,避免因加工出现的应力集中现象。 

  • 合理选择输出轴热处理工艺,使输出轴的综合机械性能满足工作要求,更好地传递扭矩和承受载荷。

  • 可从设计及材料选取等方面考虑改进。



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