酸排气风机轴的失效分析和工艺改进研究

唐志君，刘克昌

（北京科大分析检验中心有限公司，北京 100096）

益科德公司的CUB 酸排气风机轴在使用约两周后发生断裂，而该轴正常服役周期15 年。据使用方介绍，此次风机轴属于新工艺的首次尝试，由新的生产商加工。基于委托方对于轴服役状态下的受力情况计算，生产商为了降低成本，提出使用45#钢为原料按照相应技术图纸加工后，无后续热处理。委托方希望本中心通过检测确认样品断裂原因并提出工艺改进建议。CUB 酸排气风机轴来样如图1 所示，设计图纸如图1-3 所示，断裂位于图纸上箭头所指处，该位置外圆有一段过盈装配的轴套在图中可见。

图1 来样图

根据本次样品的特点，本实验室在了解了样品服役情况后，提出了材质-力学性能-金相组织-断口分析的检测计划，首先确认样品是否符合委托方的性能要求，之后推测断裂机理[1]。

委托方和生产方称该轴使用了45#钢为原料，本实验室即参考国标GB/T 699-2015 中的相关规定，使用直读光谱法检测了样品的化学成分，确认其材质符合45#钢的相关要求。结果见表1。

表1 失效轴化学成分（对比GB/T 699-2015）

由于产品使用方并未就该轴类产品的力学性能向供货方提出具体要求，如表2 所示，本实验室参考GB/T 699-2015 中对45# 钢力学性能的相关规定通过室温拉伸试验对比样品是否符合国标规定。结果表明：该失效轴屈服强度低于国标规定约10.70%～13.80%；
其他各参数和国标规定均相符。屈服强度低可能导致材料抗疲劳性能下降。硬度方面，该产品硬度符合GB/T 699-2015 的相关要求。

表2 失效轴样品力学性能检测结果（对比GB/T 699-2015）

3.1 宏观检测

失效轴的两边断口形貌如图2 所示，断口较平整为扭转断口。整体而言，该轴外表面较为光滑，除断口处外无明显缺陷。图2（b）为图2（a）图箭头所指部位（裂纹源处）的放大20 倍效果，有较为尖锐的凸起。考虑到该轴的服役工况，初步认为该轴属于应力集中引发的疲劳断裂[2]。

图2 断口形貌

3.2 微观观察

本实验室将失效轴的断口进行扫描电镜观察，但由于该轴断裂后仍持续运行一段时间后设备才完全停止，断口表面存在较严重的磨损，不合适用以判定断口特征。

3.3 断口处的金相检验

垂直于断裂源处取样进行显微组织观察：断裂源处的金相组织为珠光体+铁素体，表面无脱碳现象；
断裂源附近有一条二次裂纹。截面心部金相组织也为珠光体+铁素体，如图3 所示。整体而言，该失效轴的纵截面金相组织均匀，为珠光体+铁素体，无明显缺陷，有一定的带状组织。金相组织表明材料热处理状态为热轧正火态，而正火态钢材的强度、硬度和抗疲劳性能等方面均较低[3]。

图3 断裂源处金相组织，50X（上）；
100x（下）

根据委托方提供的技术图纸，我们了解到失效轴带动的风机叶片和轴体自身的总质量约为355 kg（3509.6N），叶片半径为250 mm。供货方根据平均直径约为70 mm 计算出该轴的极惯性矩为33.67 ×10-5m3，由此算出该轴受到的最大剪应力为104 MPa，所以45#钢超过300 MPa 的屈服强度应该能够满足这样的服役条件。生产商也是参考了使用方的计算结果后才选用45#钢为原料，而非强度更高的合金钢或轴承钢。

但实际考虑叶片半径带来的扭矩，该轴的极惯性矩应为约9.43×10-6m3。由此计算出该轴受到的最大剪应力应为372.17 MPa；
对比上文中的力学性能检测结果可知，此应力已大于该轴的屈服强度[4]。另外，轴断裂处的实际直径约为56 mm，若以此计算该轴的极惯性矩结果肯定更大。且断裂位置处于直径明显收缩的台阶处，该处的R角约为90°；
显然此处存在明显的应力集中，缺口敏感性会导致其服役能力进一步下滑。

考虑到以上两点，此前的力学计算存在偏差，导致了双方对选材的性能要求较低。同时，轴类产品的设计需要尽可能减少出现应力集中，本失效轴的台阶式收缩是一个设计缺陷，断裂位置也正在此处。建议尽量减少轴径变化，若部分位置确需减小直径，也须做过渡弧而不应出现明显的90°角收缩。

该失效轴化学成分符合GB/T 699-2015 规定的45 钢的元素含量，即符合供购双方要求。力学性能方面：失效产品的屈服强度明显低于GB/T 699-2015 的相关规定，其他参数均符合。宏观断口较为平整，轴断裂源显微观察表面无脱碳现象，断裂源处及心部金相组织均为珠光体+铁素体。金相组织表明材料热处理状态为热轧正火态。而正火态钢材的强度、硬度和抗疲劳性能等方面均较低，服役时在产品台阶处易产生应力集中而导致失效。

通过对失效轴的受力情况分析，我们发现委托方在计算轴受力时出现了偏差，导致误判了该轴在服役时受到了最大剪应力；
因此双方对该轴的强度要求较低，没有选用轴承钢或合金钢，没有要求进行热处理，对轴承的力学性能参数也没有具体规定。另外，在轴的图纸设计方面，出现了明显的收缩台阶，容易导致应力集中；
而断裂位置就在最小尺寸直径的台阶处。

基于以上分析，本实验室建议厂家选取GCr15 或42CrMo 等轴承钢或合金钢为原料，并且在产品加工成型后进行至少一次的调质热处理以保证其强度和硬度。使用方也应该对产品硬度、强度、断后伸长率等参数提出相应要求以保证其符合服役条件。此外在产品的尺寸设计方面，建议综合考虑应力集中和材料疲劳等因素，避免台阶结构和应力集中。

益科德公司接受了本实验室提出的改良方案，改良了设计图纸并以42CrMo 为原料加工生产了新批次的风机轴。新轴的直径约为80 mm，无轴径变化，无明显台阶状起伏。为确认新产品质量，该公司再次委托本实验室对改良后的风机轴进行了相关检测。

6.1 力学性能对比

此次，供购双方规定产品力学性能参考ISO 683-2:2016（E）中对42CrMo4（40～100 mm 直径棒材，调质态）的相关规定。拉伸试验结果见表3。

表3 42CrMo 轴力学性能检测结果（对比ISO 683-2：2016（E））

室温拉伸试验的结果显示：新轴的规定塑性延伸强度满足ISO 683-2：2016（E）的要求；
抗拉强度超过ISO 683-2：2016（E）规定的上限约5.26%。样品塑性（断后伸长率和断面收缩率）均优于标准规定。新轴的强度参数明显优于失效轴的相关参数。

此外，实验室还根据客户要求，检测了该轴样品横截面的洛氏硬度（HRC）。GB/T 3077-2015 规定42CrMo 调质后洛氏硬度应为HRC 28-32，此轴的心部硬度略低（26.8～ 29.4HRC），其他位置硬度基本满足国标要求，考虑到轴径较粗，心部存在硬度略低的情况也属正常。对比失效轴，新轴硬度明显更高。

6.2 金相组织分析

样品纵向（垂直于圆面方向）有较明显的带状组织，应是轧制原料特点，参照GB/T 13299-1991 评定标准带状组织为5 级，推测为轧制原料本身具有的特征，属正常现象。样品横截面边部金相组织为回火索氏体+少量条块状铁素体，组织均匀，如图4。

图4 样品纵截面的带状组织，100x；
横截面金相组织，500x

该金相组织符合42CrMo 钢调质热处理工艺特征，表面组织处理较好，但心部组织中存在少量的小块状铁素体；
考虑到该产品尺寸较大，出现淬透性不足的情况也属于正常。一般来说，以回火索氏体为主的金相组织在综合力学性能方面会有较好的表现[5]。

改良后的42CrMo 轴在力学性能和金相组织方面明显优于以45#钢为原料的失效轴。同时生产方也改进了产品尺寸设计，去掉了台阶结构，能够保证产品无明显的应力集中。

经过本实验室检测后，益科德公司将改良后的42CrMo 轴生产工艺作为该公司风机轴生产的标准工艺，明确了产品在硬度、强度等方面需要达到相关国标要求。此后，该公司同类型的轴类产品再未出现类似的失效事故。