電機(jī)軸是安裝于風(fēng)扇電機(jī)中的主要構(gòu)件之一,其通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞力矩。某型電機(jī)在2022年1月因內(nèi)風(fēng)扇故障送修,修復(fù)后于2022年7月試機(jī)運(yùn)行,運(yùn)行過(guò)程中主電機(jī)振動(dòng)頻率突然增大,停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)主電機(jī)軸與錐套之間出現(xiàn)2條斜向裂紋,并伴有金屬碎塊脫落現(xiàn)象,電機(jī)軸材料為42CrMo鋼。筆者對(duì)該電機(jī)軸進(jìn)行分析,找出其開(kāi)裂原因,并提出改進(jìn)建議,避免該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

對(duì)開(kāi)裂電機(jī)軸進(jìn)行宏觀觀察,發(fā)現(xiàn)在電機(jī)軸總長(zhǎng)約1/3位置存在3條呈八字形分布的裂紋,裂紋分布形態(tài)相似且裂紋尖細(xì)(見(jiàn)圖1)。沿裂紋處人工打開(kāi),對(duì)斷口進(jìn)行宏觀觀察,可見(jiàn)斷口呈多源疲勞特征形貌,疲勞源位于軸表面,擴(kuò)展區(qū)較平整(見(jiàn)圖2)。 

圖  1  電機(jī)軸裂紋宏觀形貌

圖  2  電機(jī)軸斷口宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

在電機(jī)軸斷口附近取樣,對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：電機(jī)軸基體的化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)42CrMo鋼的要求,堆焊層材料為低碳鋼。 

1.3   金相檢驗(yàn)

在斷口附近位置取樣,對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：試樣拋光態(tài)下可見(jiàn)起始于表面的二次裂紋和起始于斷裂面的二次裂紋；腐蝕后試樣表面存在一層厚度為1.70 mm的堆焊層,堆焊層內(nèi)無(wú)裂紋,堆焊層和基體結(jié)合良好,無(wú)疏松、孔洞等缺陷；堆焊層組織為鐵素體＋珠光體,堆焊層相鄰過(guò)熱區(qū)的組織為自回火馬氏體,基體組織為回火索氏體；基體未發(fā)現(xiàn)過(guò)熱、過(guò)燒特征。 

圖  3  電機(jī)軸斷口試樣的金相檢驗(yàn)結(jié)果

在開(kāi)裂位置附近截取橫向低倍試樣,對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕處理,然后對(duì)試樣進(jìn)行低倍組織檢驗(yàn),結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：試樣表面可見(jiàn)一層堆焊層,堆焊層內(nèi)無(wú)裂紋、疏松缺陷,堆焊層和基體之間結(jié)合良好,無(wú)缺陷。在熔合線(xiàn)靠近基材一側(cè)有明顯的焊接過(guò)熱區(qū)特征?；w橫向試樣低倍組織評(píng)級(jí)結(jié)果如表2所示。 

圖  4  橫向試樣的低倍組織檢驗(yàn)結(jié)果

1.4   力學(xué)性能測(cè)試

在距電機(jī)軸表面1/3R位置取樣,對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,結(jié)果如表3所示。 

在電機(jī)軸截面處取樣,對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試,電機(jī)軸表面至心部的硬度測(cè)試結(jié)果如表4所示。 

1.5   掃描電鏡(SEM)分析

在斷口處取樣,將試樣清洗后置于掃描電鏡下觀察,分析位置如圖5所示,分析結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：A區(qū)和C區(qū)的形貌相差不大,均為疲勞起始區(qū)；A區(qū)表面呈準(zhǔn)解理斷裂特征形貌,該區(qū)域未發(fā)現(xiàn)微裂紋；A區(qū)次表層呈沿晶斷裂特征形貌,由表面向內(nèi),晶粒尺寸逐漸變??；B區(qū)和E區(qū)的形貌相差不大,兩區(qū)的位于疲勞起始區(qū)邊緣,B區(qū)呈沿晶斷裂＋準(zhǔn)解理斷裂特征形貌；D區(qū)為擴(kuò)展區(qū),呈準(zhǔn)解理斷裂特征形貌。 

圖  5  掃描電鏡分析位置示意

圖  6  斷口的SEM形貌

2.   綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：該電機(jī)軸基體的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求,低倍組織和力學(xué)性能均無(wú)異常。電機(jī)軸表面存在3條呈八字形分布的裂紋。沿裂紋人工打開(kāi)的斷口呈多源疲勞特征,疲勞源位于軸表面。對(duì)疲勞源區(qū)進(jìn)行掃描電鏡分析,可見(jiàn)所有疲勞源微觀形貌相似,從表面至基體,疲勞源分別呈準(zhǔn)解理、沿晶、準(zhǔn)解理特征形貌。電機(jī)軸表面存在一層厚度為1.70 mm的堆焊層,堆焊層材料為低碳鋼,顯微組織為鐵素體＋珠光體,平均硬度為196 HV；堆焊層相鄰的過(guò)熱區(qū)組織為自回火馬氏體,平均硬度為484 HV；基體組織為回火索氏體,平均硬度為283 HV。基體無(wú)過(guò)熱、過(guò)燒特征。 

在1月份維修該電機(jī)軸過(guò)程中發(fā)現(xiàn),軸表面磨損尺寸超差,對(duì)其進(jìn)行堆焊修復(fù)。該電機(jī)軸堆焊后,表面形成鐵素體＋珠光體,平均硬度為196 HV,低于基體硬度。在堆焊層下的軸表面形成過(guò)熱區(qū),過(guò)熱區(qū)組織為自回火馬氏體,該組織硬度較高,具有較大的組織應(yīng)力,且不穩(wěn)定脆性較大,是因堆焊工藝控制不良形成的缺陷組織。在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,電機(jī)軸主要承受扭轉(zhuǎn)載荷,軸表面受到的應(yīng)力最大,在交變應(yīng)力作用下,在軸表面的薄弱處形成微裂紋,裂紋沿最大切應(yīng)力面擴(kuò)展。該電機(jī)軸最薄弱的位置是表面堆焊層及臨近的次表面過(guò)熱區(qū),而其受力最大位置也位于表面,在受力過(guò)程中,表面堆焊層形成微裂紋,微裂紋快速擴(kuò)展并匯聚形成多疲勞源。該電機(jī)軸上可見(jiàn)3條裂紋,裂紋在扭矩的作用下呈八字形擴(kuò)展,因自回火馬氏體的脆性較大,次表面的過(guò)熱區(qū)呈沿晶斷裂特征。 

軸類(lèi)零件的結(jié)構(gòu)單一、尺寸較大且不易損壞,如果出現(xiàn)斷裂等嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、尺寸的情況,就必須更換新軸,而對(duì)于一些磨損、拉傷類(lèi)損傷,則主要以修復(fù)為主。目前常用的修復(fù)工藝為堆焊法和熱噴涂法,堆焊法是通過(guò)熔敷一定厚度的金屬,修復(fù)機(jī)械設(shè)備工作表面磨損部分和金屬表面殘缺部分[1],該方法操作簡(jiǎn)單,但堆焊后緩冷時(shí)間較長(zhǎng)。堆焊修復(fù)時(shí),要根據(jù)堆焊工件使用狀況,選用適宜的焊接材料,并制定正確的堆焊工藝,防止焊接變形和開(kāi)裂。堆焊過(guò)程中,應(yīng)對(duì)焊前預(yù)熱、焊后緩冷及道間溫度進(jìn)行控制,以得到理想的堆焊效果。該電機(jī)軸堆焊選用的修復(fù)材料為低碳鋼,其強(qiáng)度較低,堆焊后組織為鐵素體＋珠光體,堆焊層的硬度、強(qiáng)度低于基體,電機(jī)軸的維修效果不理想。此外,在堆焊修復(fù)時(shí),由于堆焊工藝不當(dāng),過(guò)熱區(qū)形成了脆性自回火馬氏體,因該組織不穩(wěn)定且組織應(yīng)力大,在使用過(guò)程中使裂紋加速擴(kuò)展。 

3.   結(jié)論與建議

電機(jī)軸表面堆焊工藝不當(dāng),導(dǎo)致堆焊層的硬度和強(qiáng)度較低,電機(jī)軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中主要承受扭轉(zhuǎn)載荷,軸表面所受應(yīng)力最大,軸表面堆焊層形成微裂紋,最終導(dǎo)致電機(jī)軸發(fā)生開(kāi)裂。 

堆焊修復(fù)時(shí)應(yīng)選用與基體強(qiáng)度相近的材料。堆焊修復(fù)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制道間溫度,并采取合理的焊后緩冷工藝,改善熔合線(xiàn)附近組織,降低硬度,減弱脆性,還可以采用熱噴涂工藝對(duì)電機(jī)軸進(jìn)行修復(fù)。 

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