膨脹干燥機螺桿軸斷裂失效分析

　　膨脹干燥機是順丁橡膠生產中的關鍵設備，它的作用是將來自擠壓脫水機的物料通過固定于懸臂軸上的連續式螺旋葉推人機體內，物料向前推進的同時，壓力和溫度將逐漸升高，在物料到達機頭模板時溫度達到150180（：，壓力達到1015MPa，從模頭擠出的物料在大氣中快速膨脹，蒸發掉其中的水分，使橡膠的含水量降低到1以下。螺桿軸是膨脹干燥機中的關鍵零件，呈懸臂狀態工作于套筒中，起到支撐螺套的目的，螺桿上有多級螺套，而螺套則通過平鍵與螺桿連接。螺桿軸在工作過程中一方面受到螺旋擠壓橡膠過程中產生的扭矩，另一方面還受到螺葉及自重產生的彎矩，故該軸為彎扭組合變形軸，其轉速通常在220280r/min.膨脹干燥機在工作過程中主要存在兩方面的問題：螺旋葉的磨損和螺桿軸的斷裂。作者已對螺旋葉的磨損問題進行了研究，結果表明螺旋葉的磨損除與螺旋葉本身的狀況有關外還與螺桿軸的工作狀況有關，這兩方面的問題存在相互制約的關系。膨脹干燥機螺桿軸用于支撐螺套，為此該軸通常設計成變截面軸，在工作過程中常發生螺桿軸在變截面處發生斷裂。如某廠的螺桿總長度達5 441mm，支撐螺套的螺桿直徑為0130mm，它與5 250mm的一段軸形成變截面，斷裂常發生在該位置。該廠設備進口時螺桿軸的材料為316L，使用過程中未見斷裂現象發生，但發生過軸的扭曲破壞。后來將該軸的材料改為強度級別比316L高的35CrMo低合金鋼，從此該軸便故障不斷，一般在la左右就發生斷裂，短的只有34個月，嚴重影響該廠生產。作者就其斷裂原因進行了分析，提出了提高螺桿軸壽命的方法，為同類裝置上該螺桿軸材料的選用及制作工藝提供依據。

　　2螺桿軸上裂紋的宏觀形貌所分析的軸約使用了6個月，在裝置停車檢修時，發現該軸的4130mm和250mm變截面部位存在二條裂紋，一條長度為20mm，另一條周向長度達到145mm，且裂紋具有一定的寬度，見。而從該螺桿的表面情況看，在4250nrn段的圓柱體表面存在嚴重的腐蝕凹坑，該部位螺桿軸直接與介質接觸。而在4130mm的螺套支承軸上只有在料液入口側約600mm范圍內存在腐蝕現象。為觀察軸上長裂紋的裂紋面形貌，將裂紋經超聲波探傷仔細定出裂紋的深度，用機加工的方法將未出現裂紋的部分軸切除，剩余部分浸在液氮中使材料充分冷卻，然后用力將裂紋敲開，得到如的裂紋面形貌。可見這條裂紋由三個平面組成，因此可初步斷定該裂紋是三條裂紋的擴展合并而成，是一種典型彎扭組合下的疲勞裂紋。從裂紋的形貌看，初的三條裂紋均能找到裂紋源，裂紋源均為軸表面的缺陷。

　　3裂紋面微觀和腐蝕產物分析使用6360SM-LV型掃描電鏡進行分析，由可見，由于疲勞而生成疲勞輝紋，且在裂紋面上粘附有一些腐蝕產物，還可看到較深的腐蝕坑。

　　裂紋面上的腐蝕產物采用EDAX電子探針進行分析，從可發現，腐蝕產物中有大量氯元素，根據該廠的生產工藝可看出，氯可能來源于橡膠中的水。為此取裝置中的廢水進行分析，結果該廢水的pH=6.2，屬微酸性。水中的Cl和F一的濃度經離子光譜分析測定分別達到583mg/kg和161mg/kg.由于水中含有大量的氯離子，使水的腐蝕性加大，由此可斷定裂紋面上含有大量的氯化物與水中含有大量的氯離子有關。在腐蝕產物中還含有硫、硅、鉀、鈣等元素，其中鈣可能來自于系統中的催化劑，而其他元素可能來源于材料中夾雜物。

　　裂紋面上的腐蝕產物EDAX譜為進一步判明腐蝕產物的類型，又用XRD法對腐蝕產物進行物相分析。結果表明，在裂紋面上除有氧化鐵和氯化物外，還發現有FeF、FeF2和CrF等氟系列腐蝕產物。這說明軸上的腐蝕疲勞裂紋不僅與氯離子的腐蝕有關，而且還與腐蝕介質中含有大量的氟離子有關。

　　4材料的顯微組織分析按照設計要求，螺桿軸應為調質狀態，盡管35CrMo材料的淬透性較好，但由于軸的直徑較大，在實際制作過程中較難保證完全泮透。考慮這一實際情況，為比較全面反映軸材料的組織狀況，著重注意考察在整個橫截面上的組織變化。為此在4 130mm的軸橫截面上用線切割方法分別在軸的外表面、中間部位和心部切取三塊10mmX10mm的試樣（1、2及3試樣）進行金相分析。由于35CrMo材料為低合金中碳鋼，常規的組織為鐵素體+珠光體，因此選用3的硝酸酒精溶液作為該材料的浸蝕劑。

　　為1試樣在浸蝕前的顯微形貌，可見存在大量的原始缺陷，其中長的原始缺陷約。1mm.這些位于材料內部的缺陷未見有擴展的現象，但如果這些缺陷位于軸表面的應力集中處，則極可能形成裂紋源，產生疲勞裂紋。

　　由可見，1試樣組織非常均，主要是由回火索氏體和鐵素體組成，這種組織與上介紹的35CrMo材料調質態的組織極為相似由可見，2試樣的金相組織為鐵素體和珠光體的混合物，這種組織與35CrMo材料的回火態相似，這表明調質處理對該處材料未發揮作用。而3試樣的組織與基本一致，表明該部位的材料也處于回火狀態。

　　從組織分析可見，該軸的調質處理是不充分的，調質處理對表面材料效果較好，而軸芯部基本還是呈回火態。對于35CrMo材料而言，不同的熱處理58狀態對缺口敏感性是不同的，調質處理具有更好的性能w，因此該材料的調質處理不足將大大降低變截面處的疲勞壽命。

　　5軸材料力學性能的分析為考察軸材料的力學性能，分別從斷軸上截取拉伸、沖擊和硬度試樣。

　　在WE-60拉伸試驗機上進行拉伸試驗，試驗時加載速率控制在7MPa/s.所測5個試樣的斷口均呈杯錐狀，斷口可清楚分辨出中心纖維區、放射區和邊緣剪切唇區，只是放射區所占比例很大，而剪切唇所占比例很小且厚度很薄，說明軸材料具有較好的塑性。5個試樣試驗結果的平均值為：（7，=580.9MPa，　　沖擊韌度測試按GB21061980金屬夏比（V型缺口）沖擊試驗試樣標準，在300N m的沖擊試驗機上進行。所試驗的5個試樣經沖擊后均完全斷裂，各試樣斷口均由纖維區、放射區和剪切唇組成，各試樣的纖維區大小不一，其中以3試樣大。

　　其實際試驗結果的平均值為=57.7/cm2.按0830771988，小尺寸35011鋼的沖擊韌度至少應達到63/cm2，這一測試結果低于規范要求值。

　　究其原因可能與試樣中存在較多的缺陷有關，同時說明該材料的性能不是很均勻。

　　由可見，材料硬度與表面間的距離有關，往材料心部的硬度有下降的趨勢。造成材料硬度變化的原因是由于軸的直徑較粗，在調質處理過程中很難保證軸的整個截面調質處理都很好，越靠近表面的區域調質處理越容易，只有在這一區域內材料才得到調質處理。

　　從對材料的拉伸、沖擊和硬度測定的情況看，軸材料的各項力學性能指標與標準值均存在較大的差距，且離散性較大，造成這一現象的原因除與調質處理不夠充分有關外，材料本身所存在的缺陷也是其主要原因之一。

　　6螺桿軸改進措施和壽命預測從有限元分析可知，在正常工作過程中軸變截面處大拉應力為76.96MPa，大壓應力為一77.82MPa.由于該軸呈旋轉運動，其應力狀態基本呈對稱循環，其應力幅為154.78MPa.根據光滑試樣旋轉彎曲試樣的P-S-7V曲線，對35CrMo材料在不計腐蝕介質作用的情況下，如軸的轉速為320r/min，每天工作24h，則該軸90存活概率下的工作天數為9d，而實際上軸的壽命遠比預測的小。

　　事實上，根據前面的分析，由于軸材料雖經調質處理，但僅僅局限于表面材料，而對軸的心部其熱處理是不充分的，依然處于回火狀態，該狀態下的材料在低周疲勞的情況下更易發生疲勞累積損傷，因此會降低其疲勞壽命。同時由于該材料內部存在有較多的缺陷，在這些缺陷處將更易產生疲勞裂紋源，也可能使其疲勞壽命降低。而從軸的表面狀況和裂紋面的腐蝕產物組成看，工作介質中的氯離子和離子對35CrMo材料的腐蝕是明顯的，從圓缺口試樣的疲勞試驗結果可見，腐蝕對缺口試樣起裂壽命的影響是非常顯著的，腐蝕疲勞裂紋產生于材料表面的缺陷處M.而從螺桿軸的斷口分析可見，軸上的主裂紋是由三條裂紋經擴展而合并成的，這一特征與圓缺口試樣經疲勞試驗后產生多裂紋的情況非常相似，從而進一步說明螺桿軸變截面處的裂紋為疲勞裂紋。腐蝕與疲勞的交替作用使軸的壽命大大降低。

　　綜合以上分析，以35CrMo材料制造的螺桿軸在使用1a左右的時間后發生斷裂的概率是非常大的。若要該軸長期使用，必需考慮采用既耐疲勞又耐腐蝕的材料。綜合考慮該軸的工作狀況，將該軸的材料改為113不銹鋼。調質態的1013其和a分別為392MPa和586MPa，滿足強度要求。

　　根據該軸的應力狀態，在不考慮腐蝕的情況下，同樣可預測1013材料的軸在90存活概率下的工作壽命達到22 012d，比35CrMo材料的疲勞壽命高出20多倍。同時考慮到軸的工作介質基本呈中性，1013材料有較強的耐介質腐蝕能力，因此可使軸的壽命得到大幅度提高。實際情況是，該螺桿軸自2002年3月起改用1013材料后一直到2004年10月已使用了2a多時間，一直未出現斷軸現象。

　　7結論螺桿軸的斷裂屬腐蝕疲勞裂紋擴展斷裂。腐蝕疲勞裂紋產生的主要原因是含有較高的氯離子及氟離子的介質對35CrMo材料有較大的腐蝕性，該腐蝕性介質很容易在材料中的缺陷部位形成疲勞裂紋源。另外軸材料調質處理不足造成軸材料強度達不到設計要求，降低了軸的抗疲勞能力。將軸材料改為1013后，軸的疲勞壽命得到大大提篼。