文档介绍：减速机轴断裂分析
董毅,李晓玲,刘臻祥,周玉英
(内蒙古北方重工业集团有限公司,包头014033)

摘要:某减速机使用30多小时后,齿轮减速机轴发生弯曲,该轴在进行冷校直时发生断裂。通过对断裂轴的断口宏微观分析、金相检验以及硬度测定,认为该轴是在应力集中条件下承受对称旋转弯曲载荷作用,产生早期疲劳断裂。造成疲劳断裂的原因是由于热处理工艺不合理,致使材料力学性能未达到设计要求,导致轴的疲劳抗力降低,加之圆角加工较差,工作时产生应力集中,加速了轴的疲劳断裂。
关键词:减速机;轴;疲劳断裂;退刀槽
 
某煤矿从国外购进的减速机,安装使用30h余后,齿轮减速机轴发生弯曲,无法正常使用,在对弯曲的减速机轴进行冷校直时,轴突然发生断裂。
查阅减速机轴的有关技术资料,该轴采用17CrNiMo6钢制造,轴整体经调质处理后,表面进行中频处理,使轴表面及退刀槽根部洛氏硬度达到59~62HRC。
1 理化检验
断轴宏观分析
断裂位于减速机轴表面退刀槽根部,见图1。
 
图1 轴断裂位置(mm)  图2 宏观断口形貌
宏观断口见图2,断口表面有较明显的贝壳状花样,属于典型的疲劳断裂。断口由疲劳裂源区、裂纹扩展区和瞬间断裂区三个区域组成。
仔细观察断口裂纹源区,其表面较平坦,尺寸在距表面5mm范围内(图2A处)。裂纹扩展区贝纹线比较扁平。瞬间断裂区在裂源的对面,呈椭圆形,断口形貌为纤维状,表明减速机轴主要受旋转弯曲应力。断口瞬断区域较小、较圆约占整个断口面积的1/6,说明轴整体受力较小,属典型的高周疲劳断裂。由疲劳区及贝纹线的形态可知,疲劳裂纹扩展过程中两侧较快,说明退刀槽根部有应力集中现象。
断口微观分析
用AMRAY21000B型扫描电镜观察样品断口,断裂起源于轴表面退刀槽根部,该处有机加工刀痕,见图3;裂纹扩展区可见疲劳条纹,见图4;瞬断区为细小韧窝。
 
图3 断裂源形貌 200×                           图4 裂纹扩展区疲劳条纹 400×
化学成分分析
化学成分分析试样取自断口附近,分析结果(质量分数)列于表1,化学成分符合技术要求。
 
洛氏硬度检测
在断口附近取样,将横截面磨平,从边缘向心部逐点进行硬度测定,结果均在36~37HRC范围内;沿轴的纵向表面测定硬度,结果在38~39HRC范围内。从硬度结果看出,轴的表面硬度与心部硬度相近,且均低于设计要求。
金相检验
在裂源附近取样进行金相分析,非金属夹杂物为A2,B1,D1e(按GB10561-1989评定);(按GB6394-1986评定);疲劳源区及表面与心部显微组织均为回火索氏体,见图5。
 
图5 疲劳源区显微组织 500×
通过金相组织分析,认为该轴是在调质热处理状态下,未经任何表面处理直接投入使用的。
2 分析与讨论
  (1)减速机轴纵向表面与轴横端面的洛氏硬度检测结果表明,失效轴硬度值在36~39HRC,远低于技术要求的59~62HRC,显然与设计要求不符。
(2)该轴从表面至心部的组织为回火索氏体,说