摘 要:某回轉(zhuǎn)窯托輪在熱裝后產(chǎn)生裂紋。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相 檢驗(yàn)、掃描電鏡分析等方法,分析了該托輪裂紋產(chǎn)生的原因。結(jié)果表明:裂紋是由補(bǔ)焊形成的缺陷 引起的,托輪與托輪軸的裝配過(guò)盈量大、托輪的熱處理工藝不當(dāng)及屈服強(qiáng)度不符合要求促進(jìn)了裂紋 的形成與擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞:回轉(zhuǎn)窯;托輪;裂紋;補(bǔ)焊

中圖分類號(hào):TB31;TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2023)01-0065-03

回轉(zhuǎn)窯是水泥、冶金生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備,廣泛應(yīng) 用于建筑、冶金、化工等行業(yè)。托輪是回轉(zhuǎn)窯的重要 零件,支承著回轉(zhuǎn)窯回轉(zhuǎn)部分的全部質(zhì)量,并對(duì)筒體 有徑向定位作用?；剞D(zhuǎn)窯通過(guò)電機(jī)、減速機(jī)驅(qū)動(dòng)旋 轉(zhuǎn),托輪支撐裝置承受著回轉(zhuǎn)窯筒體質(zhì)量的徑向反 力。托輪與托輪軸通過(guò)熱裝連接,當(dāng)熱裝工藝不當(dāng) 時(shí),托輪極易發(fā)生開(kāi)裂。

某單位生產(chǎn)的托輪,材料為ZG42CrMo鋼,生產(chǎn) 工藝為:澆注→在地坑保溫153h→出坑落砂→切冒 口→熱處理。托輪的正火工藝為,400~450℃保溫 2h,650~700℃保溫3h,900℃保溫32h,空冷+風(fēng) 冷冷卻。托輪的回火工藝為,350~400℃保溫2h, 580℃保溫24h,空冷冷卻。熱處理后將托輪送至機(jī) 械廠,在未調(diào)質(zhì)的情況下對(duì)托輪進(jìn)行熱裝,熱裝 2d后發(fā)現(xiàn)托輪減重孔處有沿徑向的穿透性裂紋。對(duì) 托輪進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,發(fā)現(xiàn)托輪內(nèi)孔直徑偏小、軸頸過(guò) 大,內(nèi)孔與托輪軸的過(guò)盈量超過(guò)圖紙?jiān)试S值一倍。沿 裂紋周圍氣割后托輪的宏觀形貌如圖1所示。

為查明托輪開(kāi)裂的原因,筆者對(duì)其進(jìn)行了一系 列理化檢驗(yàn),以期杜絕該類問(wèn)題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

托輪斷口的宏觀形貌如圖2所示,可見(jiàn)裂紋產(chǎn)生于減重孔中部?jī)?nèi)表面,沿徑向軸線方向及兩側(cè)方 向擴(kuò)展;箭頭所示的月牙形區(qū)域?yàn)榱鸭y源區(qū),裂紋源 區(qū)域相對(duì)平坦,裂紋沿裂紋源區(qū)向四周擴(kuò)展。

1.2 化學(xué)成分分析

在托輪上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1 所示,可見(jiàn)托輪的化學(xué)成分均滿足技術(shù)要求。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)托輪進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,結(jié)果如表2所示,可 見(jiàn)托輪的屈服強(qiáng)度和斷面收縮率不滿足技術(shù)要求, 托輪的沖擊吸收能量較低,且波動(dòng)較大。

1.4 金相檢驗(yàn)

在托輪斷口裂紋處取樣,拋光后進(jìn)行金相檢驗(yàn), 結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:裂紋源區(qū)有裂紋、孔 洞等缺陷;裂紋擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)二次裂紋;依據(jù) GB/T 8493—1987《一般工程用鑄造碳鋼金相》進(jìn)行評(píng)定, 可知夾雜物等級(jí)為5級(jí),基體晶粒度等級(jí)為8.5級(jí)。

托輪斷口處的顯微組織形貌如圖4所示,可知 裂紋源區(qū)的組織為萊氏體+馬氏體+貝氏體,裂紋 源區(qū)有焊接組織、焊接缺陷、微裂紋等;熱影響區(qū)的 組織為貝氏體+馬氏體;基體組織為珠光體+鐵 素體。

1.5 掃描電鏡(SEM)分析

托輪斷口處的SEM 形貌如圖5所示,可見(jiàn)裂 紋源區(qū)有疏松缺陷,且分布有較大的氣孔,疏松缺陷區(qū)域的寬度約為1mm;沿晶斷裂區(qū)域緊鄰疏松缺 陷區(qū)域,該區(qū)域的晶粒較小;裂紋擴(kuò)展區(qū)域呈典型的 準(zhǔn)解理特征形貌。

2 綜合分析

ZG42CrMo鋼是一種常用的中碳鉻鉬合金調(diào)質(zhì) 鋼,具有較高的強(qiáng)度和淬透性,無(wú)明顯的回火脆性,且 生產(chǎn)成本較低,廣泛應(yīng)用于制造強(qiáng)度要求較高、調(diào)質(zhì) 截面 大 的 鍛 件。淬 火 和 高 溫 回 火 處 理 可 以 使 ZG42CrMo鋼得到均勻的回火索氏體,且具有良好的 力學(xué)性能,因此ZG42CrMo鋼制作的產(chǎn)品一般需要經(jīng) 過(guò)調(diào)質(zhì)處理后交付使用。ZG42CrMo鋼的碳元素含 量較高,焊接性能差,一般不進(jìn)行焊接處理[1]。

理化檢驗(yàn)分析結(jié)果表明:托輪裂紋產(chǎn)生于減重 孔的中部靠近軸心側(cè),裂紋源區(qū)有焊接組織和焊接 缺陷,說(shuō)明托輪減重孔局部經(jīng)過(guò)補(bǔ)焊處理;高硬度脆 性組織萊氏體+馬氏體+貝氏體為焊后快速冷卻而成,裂紋源區(qū)有大量的孔洞、裂紋等缺陷,說(shuō)明焊后 沒(méi)有進(jìn)行熱處理;裂紋源區(qū)有寬度為1mm 的自由 結(jié)晶面,說(shuō)明裂紋源區(qū)有焊接疏松和氣孔缺陷;熱影 響區(qū)域呈沿晶斷口特征形貌,說(shuō)明加熱對(duì)該區(qū)域造 成不良影響,導(dǎo)致裂紋形成并擴(kuò)展。

托輪組織為正火態(tài)組織,沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理,因 此材料的屈服強(qiáng)度偏低[2]。ZG42CrMo鋼的焊接性 能差,對(duì)結(jié)晶裂紋比較敏感,焊接時(shí)容易出現(xiàn)疏松、氣 孔、微裂紋等缺陷。ZG42CrMo鋼的碳元素含量較 高,快速冷卻時(shí)得到對(duì)冷裂紋較敏感的萊氏體、馬氏 體組織,導(dǎo)致過(guò)熱區(qū)脆化。對(duì)托輪的尺寸進(jìn)行測(cè)量, 發(fā)現(xiàn)托輪內(nèi)孔和托輪軸的過(guò)盈量超過(guò)圖紙?jiān)试S值的 一倍,在冷卻的過(guò)程中,托輪會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。

綜上所述,托輪減重孔局部經(jīng)過(guò)補(bǔ)焊處理,補(bǔ)焊 工藝不合理導(dǎo)致焊接部位形成疏松、孔洞、氣孔、微 裂紋等缺陷,并產(chǎn)生高硬度、脆性的萊氏體和馬氏體 組織。托輪開(kāi)裂起源于減重孔補(bǔ)焊處,熱裝導(dǎo)致焊 接處產(chǎn)生裂紋,冷卻過(guò)程中拉應(yīng)力逐漸增大,裂紋逐 漸擴(kuò)展,最終造成托輪開(kāi)裂[3]。

3 結(jié)論與建議

托輪開(kāi)裂的原因?yàn)?托輪減重孔的補(bǔ)焊工藝不合 理以及托輪沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生,托輪與 托輪軸的裝配過(guò)盈量超標(biāo),加速了裂紋的形成和擴(kuò) 展。

建議制定規(guī)范的補(bǔ)焊工藝,進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后 熱處理。確保托輪與托輪軸具有恰當(dāng)?shù)难b配過(guò)盈量。

參考文獻(xiàn):

[1] 李榮雪.金屬材料焊接工藝[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版 社,2008.

[2] 康大韜,葉國(guó)斌.大型鍛件材料及熱處理[M].北京: 龍門書(shū)局,1998.

[3] 巴發(fā)海,李晉,王濱.吊裝過(guò)程中吊具斷裂失效分析 [J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2007,43(7):355-360.

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