输煤刮板链轮断裂原因分析

作者：庞瑞强，王屾，甘锋，谭海兰

单位：晋西工业集团有限责任公司检测技术研究院。

来源：《金属加工（热加工）》杂志

输煤刮板链轮（材质为42CrMo）于井下工况使用约半个月后，在键槽部位发生断裂，如图1所示。

键槽部位整体从链轮脱落，如图2所示。其中一处断裂面沿键槽根部至两齿中间，平行于链轮直径断裂，断面平齐，可见放射纹，裂源位于键槽根部直角处，编为A断面，如图2a所示；另一处断裂面沿链轮内圈靠近键槽边缘至链轮齿，与链轮直径呈约45°角断裂，断裂面较粗糙、平齐，可见放射纹，裂源位于链轮齿部，该齿部可见撞击塑性变形痕迹，编为B断面，如图2b所示。

链轮热处理工艺路线为：整体调质→机加工→齿部表面淬火、回火→磨齿。技术要求整体调质硬度为280～320HBW；轮齿面表面硬度为40～45HRC。

1. 化学成分分析 

对链轮基体取样，采用CS- 444碳硫测定仪及ICP光谱仪进行化学成分分析。结果符合国家标准对42CrMo钢的要求范围。具体分析结果如表1所示。

2. 硬度和冲击测试 

分别取样对工件轮齿表面进行洛氏硬度测试；对工件轮齿心部及键槽部位（A断面裂源附近）进行布氏硬度测试，测试结果如表2所示。

结果表明，轮齿表面硬度符合工件技术要求；轮齿心部硬度符合工件技术要求，靠近裂源的键槽部位硬度不符合技术要求。对键槽处取样进行冲击吸收能量测试，发现该处材料冲击吸收能量极低，具体测试结果如表3所示。

3. 断口分析 

将A断口置于扫描电子显微镜中观察。裂源区无明显塑性变形，未发现明显非金属夹杂物及材料缺陷，微观形貌可见河流花 样，为解理断裂，如图3所示。

扩展区同样为解理断裂，如图4 所示。

最后断裂区为可见韧窝结构，为韧性断裂，如图5所示。

4. 金相分析 

对断裂件进行非金属夹杂物检查，未见明显超标非金属夹杂物，如图6所示。

依据GB/ T 10561—2005评定为A0.5、 B0.5、C0.5、D1.5。对断裂件不同位置进行金相组织观察及晶粒度评定，链轮齿外表面为调质组织，如图7所示；

心部组织为珠光体+铁素体，晶粒度为5~6级，如图8所示；

链轮键槽附近金相组织为珠 光体+铁素体，晶粒度为2~3级，晶粒较大，如图9所示。

键槽根部倒角处截面形貌如图10所示，倒角接近90°（图 样要求为R0.5mm）该处属于工作受力集中点，存在应力集中现象。

5. 分析及结论

通过以上试验结果可以得出，键槽处晶粒度粗大、冲击吸收能量较低、硬度低于设计值，材料脆性较大且强度偏低，外加该处倒角偏小属于工作应力集中区域，工件在起停动作时，对该处也会有冲击作用，这样就形成了该处受力较大，而实际强度偏 低、韧性差的实际情况，在工作应力作用下，势必会形成开裂。断口上的解理形貌属于一种典型穿晶脆性断裂特征。根据A 、B 断口形貌特征及开裂方位，结合工件受力状况分析，可以判定断裂始于A断面，之后开裂的工件在转动应力作用下，齿面与其他部件撞击，从而形成B断面，进而造成该段轮齿掉落。因此，工件断裂的主因为A断面的断裂原因。工件开裂的过程为：键槽部 20190903 位热处理工艺不当，形成粗晶，导致材料韧性恶化，且键槽根部过渡圆弧较小，存在应力集中，较脆的工件在设备起停时受到冲击作用，于键槽根部发生脆性开裂，导致与开裂部位相近的轮齿位置发生改变，并发生碰撞，进而从轮齿撞击面开裂，形成工件局部断裂脱落。因此，链轮断裂的直接原因是热处理工艺不当，材料较脆，诱发因素是键槽根部圆弧设计偏小。

6. 建议

（1）为了减少应力集中，应合理计算键槽根部的R值。

（2）严格控制热处理工艺 参数，避免局部过热形成粗晶。