炼胶机辊筒断裂分析

炼胶机辊筒断裂分析

本文主要介绍天津某公司使用的Ф400×1000开放式炼胶机，安装服役约9个月后，运转中发现冷却水渗出，检修时发现辊筒辊颈根部开裂，拆卸后分离。为找出该工件在工作中发生辊筒辊颈根部开裂的原因，到该公司生产现场了解该工件使用环境，截取断裂的辊颈，进行化学成分、宏观观察、低倍观察、硬度、拉伸、微观组织及能谱等实验，将测试结果对比标准中规定的要求数值，综合产品加工工艺进行分析，发现失效辊筒承受着对称旋转弯曲载荷的作用，在应力集中条件下，自退刀圆弧处早期生成疲劳裂纹，造成疲劳裂纹源的主要原因是辊筒的化学成分不合格、鑄造工艺不良至使辊筒的内部组织结构和力学性能均未达到设计要求。且机加工退刀圆弧处加工较差，表面粗糙并有明显的刀痕，工作时，在应力集中处，首先产生微裂纹，由于各种应力的长时间作用，使其产生疲劳加速裂纹的扩展以至开裂。

标签：根部开裂；化学成分不合格；铸造工艺不良

1 项目背景说明

天津市某某橡胶工业有限公司使用的Ф400×1000开放式炼胶机安装服役约9个月后，运转中发现冷却水渗出，检修时发现辊筒辊颈根部开裂，拆卸后分离。如图1所示。该公司要求对炼胶机辊筒的断裂原因进行失效分析。

辊筒是炼胶机中要求较严格的主要部件，工作时承受着交变弯曲应力、扭转应力及冲出载荷，表面要求有一定的耐磨性，材料为冷硬铸铁，在我国的化工行业标准中（HG/T 3108-1998），对辊筒材料的化学成分、机械性能、表面冷硬层深度以及表面硬度和内部的组织结构都有明确的技术要求和严格的质量控制。

2 宏观观察

将已断裂的辊颈上的轴承退出，对断口观察后发现断口为脆性断裂，约30%左右已锈蚀，其余灰色断口部分为快速断裂区，断口较粗糙。断裂方向自裂纹源与轴向呈45°角。由于拆卸不慎，断口上有磕碰痕迹。辊颈根部退刀圆弧加工粗糙，有明显的刀痕和毛刺。

3 化学成分分析

对辊筒的材质进行化学成分分析，结果为C：3.09%，Si：0.87%，Mn：0.10%，P：0.71%，S：0.082%。

4 低倍观察

自辊颈端部40mm处横向切取试样，磨光后经4%硝酸酒精溶液浸蚀，观察整体剖面。观察结果为：①距内孔边缘有大面积缩孔存在，缩孔较深而密集；②

辊颈表面未显出硬化层及过渡区；③辊颈剖面上弥散分布着肉眼可见的石墨孔。

5 硬度检测

将上述低倍观察后的试样自剖面边缘向内逐点测试硬度（HBW 5/750），测试为第一点205，第二点204，第三点207，第四点202，平均值204。

6 机械性能

自辊颈上纵向切取拉伸试样，按HG/T 3118-1998标准进行测试，抗拉强度（灰口部分）为166N/mm2。

7 微观组织及能谱分析

7.1 微观组织观察

自断口处由外向内切取金相试样，经4%硝酸酒精溶液腐蚀后逐层进行观察分析，其结果为：①辊颈表面未发现白口区；②金相组织为片状珠光体+A型石墨+磷共晶+碳化物，石墨片较粗，有的呈卷曲状，晶界上有较多的磷共晶及碳化物呈断续网状分布，并存在较多的晶间孔洞。

7.2 微观能谱分析

8 分析与讨论

①该辊筒选用材料应为冷硬铸铁，对比标准HG/T 3108-1998中要求的化学成分，实测Mn含量低于标准值下限，仅为0.10wt.%，由于含锰量低，使机体组织得不到强化，降低了材料的机械性能，通过拉伸试验，测得其抗拉强度低于标准要求（180N/mm2）的下限值。而材料中P含量高于标准值，因而增加了材料的冷脆性。

②从断面形状观察，断口是自表面向内延伸。辊筒使用过程中，承受着较大的扭转应力，因而裂纹是自裂纹源与轴向呈45°角的方向延展，遇阻后改变了方向。

③观察断口形貌，断口比较粗糙，在灰色断面上有很多闪光的小亮面和黑色的小斑点，属脆性解理断裂特征，黑色小点状为断裂沿粗大的石墨片发生而导致在断口上留下石墨色。

④大量磷化物和碳化物聚集在晶界上，削弱了晶粒间的结合力，使金属的力学性能显著降低，在反复交变载荷下，裂纹首先起源于晶界碳化物过剩析出处，然后以沿晶或穿晶形式扩展，碳化物集中的地方沿晶断裂，晶内较大颗粒碳化物或弥散的碳化物粒子引起显微空穴聚焦而发生穿晶断裂。

⑤辊筒辊颈根部加工粗糙，退刀圆弧处留有明显的刀痕和毛刺，在应力长期作用下很容易滋生微裂纹。

9 结束语

通过以上对失效辊筒的各项测试结果综合分析判定，该失效辊筒承受着对称旋转弯曲载荷的作用，在应力集中条件下，自退刀圆弧处早期生成疲劳裂纹，造成疲劳裂纹源的主要原因是辊筒的化学成分不合格、铸造工艺不良至使辊筒的内部组织结构和力学性能均未达到设计要求。且机加工退刀圆弧处加工较差，表面粗糙并有明显的刀痕，工作时，在应力集中处，首先产生微裂纹，由于各种应力的长时间作用，使其产生疲劳加速裂纹的扩展以至开裂。