作者：冯显磊，翟展新等
单位：山推工程机械股份有限公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
枢轴（见图1）支承整个推土机的重量，以某机型为例，推土机重达15t。由于客户使用工况复杂，在推土作业过程中又受到较大的冲击力，在设计时要求枢轴具有足够高的抗疲劳强度、优良的冲击韧度。材质一般采用中碳合金钢，经过调质处理达到良好的综合力学性能。枢轴断裂在工程机械部件失效案例中极为罕见，尤其是脆性断裂。
本文通过对突然失效断裂枢轴进行了宏观断口、扫描电镜、显微金相、光谱、力学性能等理化方面的检测，并结合制造工艺分析了造成枢轴断裂主要原因，通过改进措施，解决了该问题。
1.枢轴的制造及装配
为确保枢轴良好的综合力学性能，目前枢轴常采用中碳合金钢，本文提到的枢轴采用40CrMn。
制造工艺流程：锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→局部表面感应淬火→精加工。枢轴装配于台车总成上，一端通过螺栓固定在推土机上，承受整台推土机的重量，如图2所示。
2.枢轴的失效断裂及理化检验
某机型推土机在工作服役过程中突然断裂失效，其工作环境为工况复杂的山石开采和水泥砂浆施工工地，工作环境为10～35℃。断裂位置位于枢轴装配轴承后与台车架安装结合处（见图3），宏观断口光亮而平齐，无疲劳贝纹线等特征，断口扩展区具有“人字纹”花样，轴直径100mm，为典型脆性断裂（见图4）。
采用光谱仪对其成分进行检测分析，成分合格，经计算材料的DI值在110～120，处于该材质标准要求的中线范围，淬透性能适中，其材料成分如表1所示。
表1 枢轴材料成分（质量分数）（%）
元素 |
C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
Ni |
Cu |
标准值 |
0.37～0.45 |
0.17～0.37 |
0.9～1.2 |
≤0.035 |
≤0.035 |
0.9～1.2 |
≤0.3 |
≤0.3 |
实测值 |
0.38 |
0.25 |
1.04 |
0.004 |
0.027 |
1.06 |
0.09 |
0.06 |
在距轴1/4R处取直径20mm室温拉伸试样，及截面为10mm×10mm夏氏比摆锤冲击试样，分别做拉伸及冲击试验，判定标准分别执行GB/T 228—2010及GB/T229—2007。
表2 枢轴材质力学性能
项目 |
σs/MPa |
σb/MPa |
δ（%） |
ψ（%） |
AKV/J |
标准值 |
＞835 |
＞980 |
＞9 |
＞45 |
＞47 |
实测值 |
786 |
900 |
18.5 |
58 |
48 |
取断口处试样经过碾磨、抛光后，用4%硝酸酒精溶液腐蚀，在光学显微镜下观测金相组织，图5显微金相显示基体材质明显的轧制流线，流线带上较多铁素体，主要是断后正火不够充分，没有完全消除，这种锻造遗留不良组织在沿轧制流线方向强度高、韧性好，而垂直于流线方向强度、韧性均较差，而枢轴装机后受到台车的切应力正垂直于枢轴材质的轧制方向，此为造成枢轴断裂的原因之一。
图6为枢轴断裂处的倒角形状，原设计为R1倒角，由于制造工艺问题，造成该处倒角呈现V字型缺口，极易导致应力在该处应力集中，为造成枢轴断裂为主要原因，同时基体组织为珠光体+密布的块状铁素体，主要为淬火加热温度偏低，造成未完全奥氏体化。
图7为枢轴最表层组织为回火索氏体及少量的游离铁素体组织，但该层组织较浅仅为5mm左右，逐步向珠光体+铁素体过渡，主要为淬火加热温度低加上淬火冷却缓慢造成。从图8硬度梯度曲线也体现了组织的不均匀性，最表层至心部硬度为280～256HBW，整体硬度低。
取断口处试样镶嵌后做SEM电镜分析，断口相貌无韧窝，主要以“冰糖葫芦”状的沿晶断裂，局部存在河流花样的解离及准解理穿晶断裂，断口处物其它非金属化合物，判定枢轴为脆性断裂。
3.枢轴断裂原因分析
通过以上分析，造成枢轴断裂的原因由多方面的综合因素引起。
（1）枢轴材质采用的轧制钢材没有经过充分正火或退火，保留了原轧制态较多的带状组织，造成垂直于轴向的强度、韧性均降低。
（2）在随后的热处理调质过程中加热不充分，基体组织没有完全奥氏体化，残留了较多的块状铁素体组织，在淬火时又由于冷却速度慢造成淬透性差，经回火后仅在5mm以内的表层处获得了理想的回火索氏体。
（3）工艺设计问题，在枢轴断裂处存在R1的倒角，但倒角不规范，加工后程“V”字形缺口，导致应力在该处集中，增加了缺口敏感程度。
（4）设备的服役条件恶劣及客户使用操作方式不当，例如在山石开采现场，连续撞击或推运超过设备负荷难以移动的石块。
4.预防措施
（1）确保基体组织均匀性，保证基体具有良好的综合力学性能。对于直径较大的轴类轧制毛坯，在轧制、锻造后，要求充分退火或正火处理，消除轧制偏析、带状组织等不均匀组织。
（2）调质淬火加热温度不易太低，对于大型锻件淬火加热温度要到Ac3+30～50℃，使奥氏体均匀化，淬火时冷却速度不易太慢，对于采用油冷淬火，应开启淬火搅拌泵，并对油换热，保证油温。
（3）承受重载、冲击的大型枢轴倒角不应过小，制造工艺上应严格按照设计图样进行倒角，避免刀痕或不良倒角造成的V型缺口存在，本文案例将倒角增大至R3，并严格规范倒角工艺，该问题再没发生过。
（4）客户使用者，应按照使用说明，在设备可承受的负荷范围内使用设备，且乎在环境恶劣的工况下超负荷长期工作。
5.结语
本文通过对失效断裂的枢轴理化检测、制造工艺及使用工况分析，确定造成枢轴断裂事故的主要原因为原材料组织不均匀，导致沿轴向力学性能降低；倒角过小及倒角不规范造成V形缺口，增加了缺口敏感性，为枢轴的断裂的主要原因；客户的过载使用助推了枢轴的断裂失效。并通过改轧制、锻后热处理使组织均匀化，改善倒角工艺等措施消除了该类似部件的安全隐患。
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