電機軸是安裝于風扇電機中的主要構件之一,其通過轉動傳遞力矩。某型電機在2022年1月因內風扇故障送修,修復后于2022年7月試機運行,運行過程中主電機振動頻率突然增大,停機檢查發(fā)現主電機軸與錐套之間出現2條斜向裂紋,并伴有金屬碎塊脫落現象,電機軸材料為42CrMo鋼。筆者對該電機軸進行分析,找出其開裂原因,并提出改進建議,避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

對開裂電機軸進行宏觀觀察,發(fā)現在電機軸總長約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(見圖1)。沿裂紋處人工打開,對斷口進行宏觀觀察,可見斷口呈多源疲勞特征形貌,疲勞源位于軸表面,擴展區(qū)較平整(見圖2)。 

圖  1  電機軸裂紋宏觀形貌

圖  2  電機軸斷口宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在電機軸斷口附近取樣,對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：電機軸基體的化學成分符合GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》對42CrMo鋼的要求,堆焊層材料為低碳鋼。 

1.3   金相檢驗

在斷口附近位置取樣,對試樣進行金相檢驗,結果如圖3所示。由圖3可知：試樣拋光態(tài)下可見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,堆焊層內無裂紋,堆焊層和基體結合良好,無疏松、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)現過熱、過燒特征。 

圖  3  電機軸斷口試樣的金相檢驗結果

在開裂位置附近截取橫向低倍試樣,對試樣進行腐蝕處理,然后對試樣進行低倍組織檢驗,結果如圖4所示。由圖4可知：試樣表面可見一層堆焊層,堆焊層內無裂紋、疏松缺陷,堆焊層和基體之間結合良好,無缺陷。在熔合線靠近基材一側有明顯的焊接過熱區(qū)特征?；w橫向試樣低倍組織評級結果如表2所示。 

圖  4  橫向試樣的低倍組織檢驗結果

1.4   力學性能測試

在距電機軸表面1/3R位置取樣,對試樣進行力學性能測試,結果如表3所示。 

在電機軸截面處取樣,對試樣進行硬度測試,電機軸表面至心部的硬度測試結果如表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)表面呈準解理斷裂特征形貌,該區(qū)域未發(fā)現微裂紋；A區(qū)次表層呈沿晶斷裂特征形貌,由表面向內,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＋準解理斷裂特征形貌；D區(qū)為擴展區(qū),呈準解理斷裂特征形貌。 

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

由上述理化檢驗結果可知：該電機軸基體的化學成分符合標準要求,低倍組織和力學性能均無異常。電機軸表面存在3條呈八字形分布的裂紋。沿裂紋人工打開的斷口呈多源疲勞特征,疲勞源位于軸表面。對疲勞源區(qū)進行掃描電鏡分析,可見所有疲勞源微觀形貌相似,從表面至基體,疲勞源分別呈準解理、沿晶、準解理特征形貌。電機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。基體無過熱、過燒特征。 

在1月份維修該電機軸過程中發(fā)現,軸表面磨損尺寸超差,對其進行堆焊修復。該電機軸堆焊后,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熱區(qū),過熱區(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。在運轉過程中,電機軸主要承受扭轉載荷,軸表面受到的應力最大,在交變應力作用下,在軸表面的薄弱處形成微裂紋,裂紋沿最大切應力面擴展。該電機軸最薄弱的位置是表面堆焊層及臨近的次表面過熱區(qū),而其受力最大位置也位于表面,在受力過程中,表面堆焊層形成微裂紋,微裂紋快速擴展并匯聚形成多疲勞源。該電機軸上可見3條裂紋,裂紋在扭矩的作用下呈八字形擴展,因自回火馬氏體的脆性較大,次表面的過熱區(qū)呈沿晶斷裂特征。 

軸類零件的結構單一、尺寸較大且不易損壞,如果出現斷裂等嚴重影響結構強度、尺寸的情況,就必須更換新軸,而對于一些磨損、拉傷類損傷,則主要以修復為主。目前常用的修復工藝為堆焊法和熱噴涂法,堆焊法是通過熔敷一定厚度的金屬,修復機械設備工作表面磨損部分和金屬表面殘缺部分[1],該方法操作簡單,但堆焊后緩冷時間較長。堆焊修復時,要根據堆焊工件使用狀況,選用適宜的焊接材料,并制定正確的堆焊工藝,防止焊接變形和開裂。堆焊過程中,應對焊前預熱、焊后緩冷及道間溫度進行控制,以得到理想的堆焊效果。該電機軸堆焊選用的修復材料為低碳鋼,其強度較低,堆焊后組織為鐵素體＋珠光體,堆焊層的硬度、強度低于基體,電機軸的維修效果不理想。此外,在堆焊修復時,由于堆焊工藝不當,過熱區(qū)形成了脆性自回火馬氏體,因該組織不穩(wěn)定且組織應力大,在使用過程中使裂紋加速擴展。 

3.   結論與建議

電機軸表面堆焊工藝不當,導致堆焊層的硬度和強度較低,電機軸在運轉過程中主要承受扭轉載荷,軸表面所受應力最大,軸表面堆焊層形成微裂紋,最終導致電機軸發(fā)生開裂。 

堆焊修復時應選用與基體強度相近的材料。堆焊修復時應嚴格控制道間溫度,并采取合理的焊后緩冷工藝,改善熔合線附近組織,降低硬度,減弱脆性,還可以采用熱噴涂工藝對電機軸進行修復。 

文章來源——材料與測試網