热轧板厂E1 立辊轧机十字轴断裂失效分析

陈高林 孙银

( 梅山钢铁公司热轧板厂南京  210039)

摘要: 热轧板厂的E1立辊轧机的十字轴发生断裂，通过对断口的宏观观测、金相分析，十字轴的材质、机械性能测试以及理论计算，得出此轴的断裂与其热处理的碳浓度和温度的控制不当有关，而与设备的设计无关。本分析结果对今后设备的加工工艺具有重要的指导意义，即热处理的温度控制及碳浓度控制必须严格执行规定的工艺制度，不得以“提高炉温来替代保温”的方法加快热处理的速度。

关键词:十字轴；断裂；温度

热轧板厂的E1立辊主轴为达涅利设计，国内某大型加工厂制造。由于在材料热处理的过程中，违反了工艺流程，擅自提高炉温，加快温升速度，达到了缩短热处理时间的目的，结果导致主轴的内部产生了显微裂纹和网状碳化物，致使主轴的强度下降，发生了断裂。通过对此轴的故障原因进行分析，得出只有严格执行加工工艺，才能保证设备的加工质量。

1 故障过程

E1立辊主轴为立辊的关键传动设备，于2012年2月27日上线使用，在轧制过程中未发生超载或堆钢现象。但在2012年9月20日，主轴的十字轴轴颈发生了异音，停机检查发现E1工作侧主轴的减速机端十字轴的一根支轴发生了断裂，遂立即停机更换。整个事故造成轧线停机22h，本主轴累计上线时间仅6个月20天。十字轴在断裂前共经历了18．8万次应力循环，远小于100万次应力循环的设计寿命。

2 主轴结构

本主轴结构见图1。

本十字轴由辊侧叉头、辊侧十字轴、中间轴、减速箱侧十字轴、减速箱侧叉头等组成。十字轴与叉头通过关节轴承连接，本次断裂发生在图示的a处。经查，本主轴的型号为SWC700D，最大回转直径为700mm，十字轴直径为300mm，材料为18Cr2Ni4WA，并经渗碳和淬火处理。

3 故障分析

3.1 宏观断口形貌分析

图2 是十字轴断口截面图，可以发现十字轴头裂源区A，其磨平区域从表面开始，说明断裂起始于表面裂纹，裂纹扩展区B占据了断面的绝大部分面积，贝壳纹不明显，但能大致看出贝纹线绕着裂源区向外凸起，说明材料对缺口不敏感。宏观断口表明，疲劳源在十字轴一侧根部，向另一侧根部扩展，并在另一侧根部发生瞬间断裂。E1轧机是单向轧制，关节承受脉动扭矩，断口呈现的特征与十字轴承受的载荷是吻合的。分析还发现裂纹源区A与瞬断区C的面积较小，不到整个断口面积的1/10，说明在断裂之前的裂纹扩展过程中轧制力矩较小，且十字轴有较大的强度富余。

3.2 化学成分分析

通过对十字轴的材质进行化验，其成分分析结果见表1。将失效的十字轴与JB/T6396—2006所要求的十字轴材质成分进行比对，发现所使用的材质满足国标要求。

3.3 机械性能测试

对断裂件进行性能测试，其结果见表2。显然，断裂件的抗拉强度和冲击功满足图纸要求，但塑性延伸强度Ｒp0．2 较差，初步怀疑是热处理工序存在瑕疵所致。

3.4 硬度和硬化层深度

对断裂件进行硬度和硬化层深度测试，其结果见表3。数据表明，表面硬度符合图纸要求，硬化层深度也符合要求，但心部硬度约偏高HＲC 4，初步怀疑是热处理的淬火温度偏高所致。

3.5 金相组织

对断裂件进行金相组织测试，其结果见表4。可以发现，断裂件的断口存在显微裂纹和网状碳化物。显微裂纹的存在是由粗大的马氏体而产生的，粗大马氏体则是由淬火温度偏高所致。而网状碳化物的产生，判定为是渗碳过程中碳浓度不合适而导致的。

断裂件的断口影像见图3、图4。

3.6 十字轴强度分析

查阅图纸资料可知，本十字轴的承载额定扭矩为540kNm。考虑各种影响，并进行有限元分

析，显然十字轴的设计满足现场的需求。

1)十字轴的应力最大点位于轴头根部，能长期承受1910 kNm( 3．5 倍额定扭矩)的脉动疲劳载荷，叉头的应力最大点位于45°方向，能长期承受1000 kNm( 1．83 倍额定扭矩)的脉动疲劳载荷。

2)十字轴在传递大于2275 kNm( 4．15 倍额定扭矩)的扭矩时发生强度破坏，叉头则在传递大于1910 kNm( 3．5 倍额定扭矩)的扭矩时发生强度破坏。

3)十字轴承受疲劳载荷的能力高于叉头，在承受疲劳载荷时，叉头应先于十字轴发生破坏。

4 原因确认

根据上述的检查、化验、检测及计算，可以排除十字轴的设计因素和材质因素。终端原因则是指向热处理工艺的瑕疵，经查材质18Cr2Ni4WA的热处理温度一般不得超过850℃，当热处理温度在950～1 000 ℃时，就会产生粗大马氏体、显微裂纹及网状碳化物。由于这些瑕疵的存在，致使设备的塑性较差，并存在疲劳裂纹的发源区，进而导致十字轴断裂现象的发生。通过对生产厂家的调查，发现本设备的热处理工序是在冬天实施的，而厂家为了减少热处理时间，加快了热处理的速度，有意通过提高炉内温度来替代保温所需要的长时间等待，并提高了炉内的碳浓度，从而给十字轴的断裂留下了隐患，这也验证了上述分析。通过分析研究，可以得出以下结论:

1)十字轴的原设计满足生产需求;

2)十字轴的化学成分符合JB/T6396—2006中定义的18Cr2Ni4WA标准;

3)十字轴的力学性能、冲击功、渗碳层深度及硬度满足图纸要求;

4)十字轴的渗碳层沿晶裂纹和网状碳化物与热处理的碳浓度和淬火温度的控制不当有关。

5 结论

通过对本次事故的分析，建立了新品制作的过程管理制度，即在新品制作时，要求生产厂家严格按照工艺流程进行材质的热处理，并对其进行过程管理，提供材质的热处理工艺流程及可视资料，从而有效地保证新品的制作质量。新品上线之后，已经安全使用了2年，效果良好。