礦山立式破碎機錐形主軸屬于大型冶金裝備主要部件，具有噸位大、載荷大、服役條件復雜等特點，因此要求部件材質具有優良的強韌性匹配。采用42CrMo鋼為主要材質的礦山立式破碎機錐形主軸經調質處理后，可獲得回火索氏體組織，經表面熱處理后硬度為HB241-269。此軸調質處理后精加工，當將該主軸吊到機床固定后發生斷裂。為判定斷裂原因，對該軸進行斷裂失效檢驗分析。
1、理化檢驗
    該主軸制造工藝流程為：模鑄→鍛造→去應力退火→粗加工→調質熱處理→精加工→檢查裝配。
1.1化學成分分析
    主軸材質為42CrMo鋼。失效主軸斷口截面Ø700 mm，截取失效主軸斷口處試樣分析其化學成分，化學成分標準值參照GB/T 3077-1999《合金結構鋼》，結果列于表1。從表1可見，主軸材質中碳含量低于標準值下限，其它元素含量滿足標準要求。

1.2宏觀觀察
    失效主軸放置近1年，斷口表面已經嚴重銹蝕，見圖1。從銹蝕的紋絡可見，開裂起始于主軸心部，裂紋向四周快速擴展，表現出脆性瞬斷特征。
 
    靠近斷口截取主軸橫截面，磨制成低倍試樣，利用1:1鹽酸水溶液進行熱酸浸，從而清晰地顯示出失效主軸的低倍組織及其缺陷，低倍檢驗結果見表2。從表2可見，主軸截面中心存在一定程度的中心疏松。

    金屬結晶時，以樹枝晶方式長大，由于樹枝晶的充分發展以及各晶枝間相互穿插和相互封鎖作用，使一部分液體被孤立分隔于各枝晶之間，凝固收縮時得不到補充，于是形成疏松。在一般情況下，疏松經過壓力加工后，有些可以使孔隙焊合，變成致密組織。由此可見，失效主軸的鍛造比不夠，未消除中心疏松。若疏松比較嚴重，將大大降低鋼的機械性能。如果鋼材有嚴重的中心疏松，在鍛造時可能產生鍛件內部或表面破裂，也可能在淬火時造成開裂。
1.3金相檢驗
    在斷口表面邊部、1/4處、1/2處分別截取試樣進行金相檢驗。
    通過組織觀察發現，邊部、1/4處、1/2處的組織存在明顯的差異。邊部組織為貝氏體+鐵素體+珠光體（少量），見圖2(a)；1/4處組織為貝氏體+珠光體+鐵素體，貝氏體和珠光體呈區域性分布，見圖2(b)；1/2處組織為珠光體+鐵索體+貝氏體（少量），見圖2(c)。根據工藝要求，應對主軸采用調質熱處理。正常調質組織應為回火索氏體，大型截面中心區域有一定量的鐵素體和珠光體。而根據失效主軸邊部的貝氏體組織以及1/4、1/2處按區域分布的鐵素體、珠光體組織，可以推斷出其淬火冷速不夠和未回火完全消除內應力。未獲得理想的調質組織及較大的淬火內應力極易導致主軸瞬間脆斷。

    對金相試樣磨制拋光后觀察其基體夾雜，可見主釉夾雜組成為球狀氧化物，見圖3(a)，沿晶分布的硫化物見圖3(b)，且硫化物在個別位置聚集，由此可見失效主軸的鍛造比不夠。
1.4力學性能
在失效主軸斷口處截取試樣，在實驗室進行力學性能測試，力學性能標準值參照CB/T17107-1997《鍛件用結構鋼牌號和力學性能》，測試結果見表3。
 
失效主軸斷裂處截面直徑約為450 mm，失效主軸抗拉強度實測平均值比標準高11. 35%，而且沖擊值波動較大。
1.5拉力試樣和沖擊斷口試樣斷口微觀分析
    由于實物斷口嚴重破壞，無法進行斷口微觀分析。為了進一步判斷斷裂性質，通過掃描電鏡對拉力和沖擊斷口進行觀察分析，見圖4。從圖4(a)可以看出，斷口微觀形貌表現出明顯的解理特征，且存在大量二次裂紋。而斷口部分區域的微觀形貌為韌窩，經能譜分析可知，韌窩內分布著大量硫化錳夾雜，這應該與結晶狀態有關，見圖4(b)，其形貌類似卵形，是由較大的夾雜物或第二相粒子先形成大韌窩核，大韌窩在長大過程中，其自由表面與一個小韌窩相遇，這時小韌窩完全附著在大韌窩之上。
2、斷裂原因分析
    考慮到熱處理存在的尺寸效應，大型截面中心區域可能存在一定量的鐵素體和珠光體，破碎機錐形主軸也不例外。所以設計圖紙中明確規定主軸必須經過調質處理獲得回火索氏體組織。但檢驗結果表明，失效主軸基體組織為貝氏體+珠光體+鐵素體，而且主軸邊部、1/4處、1/2處組織存在明顯的差異。鋼中顯微組織不同，解理斷裂的傾向也不同。淬火后鋼中存在貝氏體，大大降低了鋼的韌性，有利于解理斷裂。42CrMo鋼是中等淬透性鋼，標準組織應為調質態的回火索氏體，當熱處理制度不合理，加熱溫度、保溫時間和冷卻速度均達不到熱處理技術要求時，冷卻后得不到組織的一致性，導致組織應力不均衡，在回火過程中不易消除內應力，易形成微裂紋。在機加工過程中，由于組織應力和機械應力的綜合作用，使裂紋進一步擴展，當綜合應力達到或超過基體強度時就會發生斷裂。如果內部存在易造成應力集中的缺陷，如疏松孔洞、夾雜物等，就會以此為斷裂源，發生早期斷裂。
3、結論
    42CrMo錐形主軸斷裂原因為：由于熱處理制度不當，未得到均勻、理想的回火索氏體組織。當服役過程中承受較大的扭轉載荷時，主軸內部組織應力不均衡，加之回火不充分以及未消除的殘余應力的共同作用，使組織內部形成裂紋，裂紋快速擴展后，導致主軸完全斷裂失效。
    為避免此類事件，應改善主軸熱處理制度。進行冷卻時，冷卻速度必須高于臨界冷卻速度。工件各部分的冷卻速度要盡可能均勻，以減少淬火變形和淬火裂紋的產生。要做到在臨界區域快速冷卻，危險區域緩慢冷卻。這樣，就能夠在提高主軸強韌性的同時，盡量減少熱處理缺陷的產生，以避免不必要的經濟損失。
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