17CrNiMo6减速机轴断裂分析

摘   要:对减速机轴发生断裂的宏观形貌、扫描电镜的微观组织、夹杂物及化学成分进行了检测。结果发现，断轴组织内部存在焊接裂纹、夹渣及块状夹杂物等缺陷，这些缺陷形成微小裂纹源，使减速机轴在弯曲旋转作用力下发生疲劳断裂。

关键词:减速机轴; 焊接缺陷; 夹杂物

1  来样情况

某品牌减速机的材质为17CrNiMo6，直径规格Φ60mm。轴已使用约3年，在使用过程中发出较大的噪声，立刻停机检查并拆下此轴。同时换上同厂家的另一个新轴继续使用，新轴在使用几天后也断裂。原拆下的旧轴被安装上重新使用，使用约一周时间，发生断裂，将其轴进行综合分析，查找断裂原因。

2  断轴断口宏观分析

如图1(a)为断轴宏观形貌，轴的断裂处外面被一套圈固定，如图1(b)箭头所示。从断面宏观上观察，轴的裂纹源位于轴的边部，源的周围有明显发射区。断面上有明显的磨损痕迹和疲劳辉纹，为明显的高周低应力疲劳断裂。

为分析断裂原因，制定如下试验方案。首先取下断轴断面处外套，保留完整的轴的断面形貌，切取合适厚度的断面试样，用扫描电镜进行断口形貌分析;从图1(a)箭头所指处取样，进行化学成分分析、力学硬度分析和金相组织及夹杂物等微观分析，从轴的断面后部取Φ60mm的圆周样，做低倍缺陷分析。然后从观察完的断面的断裂源处，切取试样，进行断裂源处的微观组织和电镜能谱的分析。

图1 断轴形貌宏观图

3  结果分析

3.1电镜断口分析

取下外面套圈后，轴为锯齿轴。观察断口形貌，断面上有断裂源和发射区，且断面大部分已磨损，断裂源处已看不见源的形貌。轴断裂纹源处侧面呈蓝黑色，为明显受过高温迹象，源处试样边部有一小脆性断裂区，放大高倍观察，微观呈解理形貌，具有沿晶断裂特征，晶界上多处已有明显的微裂纹存在。发射区宏观观察发现有疲劳纹，高倍下组织为河流状解理形貌，有的地方混着韧窝存在。断口边部断裂的锯齿加工处未发现缺陷，如图2所示。

图2 断口的电镜观察图

3.2微观组织观察

取金相试样，对试样横截面组织进行观察，试样组织为回火马氏体^[1]，显微硬度测试(HV0.2)为462、485和468，回火脆性试验发现组织有明显回火脆性特征^[2]，如图3所示。非金属夹杂对力学性能、深加工性能影响显著，常见的非金属夹杂物有硫化物类、氧化物类、硅酸盐类和球状氧化物类4种，试样纵截面观察发现，试样有A类硫化物夹杂，D类氧化物夹杂和Ds类单颗粒大夹杂，Ds类夹杂直径22μm，如图4所示，级别如表1。

图3 断轴的组织图

图4 断轴中的夹杂物图片

表1 断轴的夹杂物级别评定

从轴的裂纹源处取横向和纵向试样，分别进行分析^[3-4]。发现裂纹源处的纵向试样有裂纹出现，裂纹两侧组织明显不一样，一侧为回火马氏体，另一侧已变形，如图5(a)。纵向试样边部有很多微裂纹，且在微裂纹周围有氧化铁皮和大量的灰色质点，经电镜能谱分析，质点含有O、Si、Cr、Mn和Fe元素，为高温氧化物质点^[5]。另外，对裂纹的分支裂纹进行能谱分析，除含O、Si、Cr、元素外，发现分支裂纹中有S元素，如图5所示^[6]。

图5  裂纹源处缺陷图

3.3力学性能测试

取试样，据标准GB/T230.1—2009进行洛氏硬度测试，结果HRC值为:59.6，59.7，59.7。由数据可见，轴的硬度值很稳定，符合图纸设计要求范围HRC:59～62。

3.4化学成分测试

取试样，进行断轴的化学成分测试，结果如表2所示，化学成分合格，均在标准规定范围之内。

表2 轴的化学成分    /%

3.5轴的低倍组织分析

在紧临断面附近，取Φ60mm的试样横截面，用低倍热酸侵蚀观察，发现轴无严重缺陷，只有少量疏松，评级为1级，如图6所示^[7]。

图6 低倍热浸蚀图

4  结论

综上所述:轴的断面裂纹源位于轴的边部，源的周围有明显发射区。断面上有明显的磨损痕迹和疲劳辉纹，断轴为高周低应力疲劳断裂。轴断裂原因如下:

1)轴的断裂源处发现众多微裂纹，裂纹周边有氧化铁皮和大量高温氧化物质点，为锻造缺陷，这是断裂的主要原因。

2)轴的组织有回火脆性特征，存在组织缺陷。

3)环境对轴有腐蚀作用。断裂源处的微裂纹间隙处有S元素存在。轴的使用是酸性和水的高温气压环境，使用环境中可能会形成酸根离子，对试样进行腐蚀。

4)轴的纯净度不好，有硫化物等夹杂，在一定程度上可能会加速裂纹的扩展。

总之，17CrNiMo6轴是高强度钢，具有很高的强度和耐磨性，对裂纹的敏感性较强。轴本身带有的微裂纹经过长时间使用后，可能会从微裂纹处开裂，形成裂纹源。同时组织的回火脆性特征会使开裂的裂纹迅速沿晶扩展。而潮湿环境的下，酸液沿晶界对组织进行腐蚀，会加速裂纹的扩展而断裂。轴源处轻微断裂后，轴在运转中轴心逐渐发生偏转，从而发生疲劳运转断裂。

作者：

田晔¹;温娟²;郭素丽³

1.北京矿冶科技集团有限公司

2.首钢集团有限公司技术研究院检测中心

3.金环建设集团有限公司

参考文献:

[1]上海交通大学金相分析编写组.金相分析

[2]冶金工业部钢铁研究院.钢的金相图谱钢的宏观组织与缺陷

[3]钟群鹏，张峥，有移亮.失效学的理念与材料的疲劳断裂失效

[4]傅志强，潘宏伟，陈广志，等.40CrNiMo钢齿轮轴断裂原因分析

[5]邹龙江，张海涛，李春艳，等.42CrNiMo钢螺杆芯轴疲劳断裂失效分析

[6]王元春.线材粗轧减速机齿轮轴断裂失效分析

[7]孙祥元，芦斌刘，玉新.连铸硬线盘条质量异议分析

信息来源：今日减速机

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