钻机刹车盘销轴失效分析.pdf

秽嗡 鼍竺 点邑岱5 i 芝I 壁杰昆日2 1 左} 理￡ ￡△f 坠 婴△￡丛Y 曼 垦墨里 ．盈丑丑翌兰l l z 2 墨 一 质量控勃与失敌分析 ’●■■●- _ ●_ _ _ _ _ _ - ．．一⋯。 钻机刹车盘销轴失效分析 刘思用。林立 中国石油大学 北京 ，北京1 0 2 2 4 9 摘要石油钻机刹车盘销轴在工作过程中断裂。采用化学成分和宏、微观分析等方法对断裂 件进行了分析，结果表明，热处理不当和材料原始组织中存在大量氧化夹杂物而造成材料强韧性不 一 够，最终造成在使用中销轴发生断裂。 关键词刹车盘销轴；宏观分析；金相检验；化学成分；力学性能；失效分析 中图分类号P 6 3 4 ．3 1文献标识码A文章编号1 0 0 1 - 4 0 1 2 2 0 0 8 0 2 - 0 1 0 0 - 0 3 F A I L U R EA N A L Y S I SO FB R A K EP I NO FD R I L L E R L I I JS i - y o n g ．L I NL i C h i n aU n i v e r s i t yo fP e t r o l e u mi nB e i j i n g ，B e i j i n g1 0 2 2 4 9 ，C h i n a A b s t r a c t B r a k ep i no fo i ld i l l lh a df r a c t u r e di np r o c e s s i o no fw o r k ．T of i n do u tt h er e a s o nt ok e e pf r o mt h e s a m ea c c i d e n t ，t h ef r a c t u r es a m p l ew a sa n a l y z e db ys e a n e l e c t r o n i cm i c r o s c o p e S E M ，s p e c t r a la n a l y s i sa n d m e t a U o g r a p h i ce x a m i n a t i o n ，t h em a j o rr e a s o nw a st h a tm u c ho x i d ei n c l u s i o nw h i c he x i s t e di no r i g i n a lo r g a n i z a t i o n a n du n s u i t a b l eh e a tt r e a t m e n tw e a k e n e dm a t e r i a l ‘Sf l e x i b i l i t y ． K e y w o r d s B r a k ep i n ；M a c r o s c o p i c a la n a l y s i s ；M e t a l l o g r a p h i ce x a m i n a t i o n ；C h e m i c a lc o m p o s i t i o n ， M e c h a n i c sp e r I o r r n a n c e ；F a i l u r ea n a l y s i s 钻机刹车盘销轴是紧急卡钳总成中的重要部 件，除了作为钳臂与刹车背板的连接件外，还起到将 来自钳缸钳臂的输出压力传递到刹车摩擦块上形成 正压力的作用，其受力状态为交变弯曲载荷。销轴 材料采用4 2 C r M o 钢，零件尺寸如图1 所示。技术 要求该销轴调质处理后的硬度为2 3 5 ～2 8 5H B ，表 面化学镀处理形成0 ．0 1 5I D A T I 膜。某厂生产的销轴 发生了多次突然断裂问题，给生产造成了较大影响， 为找出断裂事故的原因，笔者对断裂的销轴进行了 理化检验分析。 1 理化检验 1 ．I 宏观检验 断裂的刹车盘销轴大多断在轴的中间部位 即 钳缸钳臂处 ，断裂形态有两截断裂或三截断裂，如 图2 中1 号轴或2 号轴。观察它们的断口形貌 收稿日期2 0 0 7 - 0 1 2 5 作者简介刘思用 1 9 8 2 - - ，男，硕士。 1 0 0 图1 销轴尺寸图 m m F i g ．1 P i ns i z ed i a g r a m 图2 销轴实物照片 F i g ．2T h es t e r e o p s i so ft h ep i n 1 号轴断面呈较小起伏状，断口整体平整；2 号轴断 面呈严重参差不齐状，且断面中可见明显氧化物夹 万方数据 层，3 号轴为未使用的轴。 1 ．2 化学成分分析和力学性能测定 采用火花源发射光谱法检测销轴的化学成分， 其检测结果 质量分数 与标准值 G B ／T3 0 7 7 1 9 9 9 见表1 ；又分别取1 ～3 号轴加工成拉伸试样 乒3m m X 4 5r a m 和V 型缺口冲击试样 1 0m r n x 1 0m m 5 5r a m ，用电子拉伸试验机和冲击试验 机测量它们的力学性能，力学性能与标准值 ．表l 销轴的化学成分 T a b ．1C h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft h ep i n ％ 试样号及标准 抗拉强度／M P a伸长率／％断面收缩率／％冲击功／J硬度／H B G B3 0 7 7 1 9 8 8 见表2 。’ 1 ．3 金相检验 分别将三根销轴沿径向线切割成厚度约1 0m m 的试片，人工磨样，4 ％硝酸酒精溶液侵蚀。用光学 显微镜观察，如图3 所示。 由图3 可见，1 号销轴显微组织为回火马氏体； 2 号销轴显微组织为回火马氏体 马氏体；3 号销轴 显微组织为回火索氏体 下贝氏体。 对2 号销轴进行了显微硬度测试，白亮区域 马 氏体 的平均硬度为6 3 0H V ，基体硬度为4 3 0H V 。 1 ．4 扫描电镜观察 将1 号和2 号销轴断口沿径向线切割成厚度约 i 0m m 的盘片，丙酮超声清洗。观察结果如图4 所 a 1 号销轴5 5 0 X 示，1 号销轴试样为典型的疲劳断裂；2 号销轴试样 为典型的脆性断裂。 2 分析和讨论 材料成分分析结果说明销轴材料成分合格，即 销轴材料牌号正确无误。 金相组织分析表明，3 号销轴的组织是回火索 氏体 下贝氏体，这与文献E l i 中给出的4 2 C r M o 钢 淬火 高温回火的标准结果 图5 基本一致。然 而，1 号和2 号销轴的组织都与图5 的标准组织有 所差别，其中1 号销轴为回火马氏体；2 号销轴为回 火马氏体 椭圆形白亮组织，其中显微硬度的测试 表明白亮部位的硬度很高，估计可能是某些化合物 b 2 号销轴l l O X c 3 号销轴5 5 0 X 图3 销轴试样的显微组织 ‘ F i g ．3M i c r o s t r u c t u r eo fp i ns a m p l e s 1 0 1 万方数据 a 1 号销轴试样 疲劳条纹花样 b 2 号销轴试样 层状断口花样 图4 销轴断口扫描电镜的分析 F i g ．4T h eS E Mp a t t e r no ft h ef r a c t u r e 图54 2 C r M o 淬火 高温回火显微组织 回火索氏体 下贝氏体 F i g ．5T h em e t a l l o g r a p ho ft h eq u e n c h e da n d t e m p e r e ds t e e l 4 2 C r M o 或氢脆白点 待进一步检验 。 上述显微组织与布氏硬度的结果有着很好的吻 合关系。1 号和2 号销轴的硬度 4 1 0H B 以上 比 设计要求的2 3 5 ～2 8 5H B 高很多，3 号销轴与设计 硬度完全相符。 硬度值与拉伸和冲击性能的关系也有很好的对 应关系。1 号和2 号销轴的抗拉强度较3 号销轴分 别高出1 8 ．5 ％和2 0 ％，而它们的塑性指标分别比3 1 0 2 号销轴低1 9 ．8 ％和3 9 ．5 ％，韧性指标分别比3 号销 轴低1 0 ％和1 5 ％，3 号销轴的力学性能指标与调质 处理的标准值相比，抗拉强度稍低，但柔韧性更好， 由于销轴受力情况复杂，柔韧性是更为重要的指标， 故3 号销轴完全符合设计要求。 电镜断口分析显示，1 号销轴试样为典型的疲 劳断裂，断口中可见疲劳条纹，疲劳裂纹源位于销轴 的外表面某处 已存在一定损伤 。由于条纹间距较 小，表明销轴断裂是在经历了较长运行周期后发生 的；2 号销轴试样为典型的脆性断裂，销轴心部有明 显的氧化物夹杂，估计是棒料热轧时将钢坯表层向 内揉压形成的折叠缺陷。由于材料韧性很差，销轴 受力后氧化物与基体接合面处破裂并导致脆性 断裂。 由上述试验结果基本可以推测，1 号销轴断裂 的原因主要是热处理不当所引起的，过高的硬度导 致材料韧性较差，加上销轴表面处的损伤等原因，最 终造成弯曲疲劳断裂；2 号销轴断裂的原因主要归 结于材料原始组织中存在折叠缺陷，加上热处理后 硬度偏高，在使用时因裂纹快速扩展导致销轴发生 多处脆性断裂；相对而言，3 号销轴的热处理硬度、 显微组织、拉伸性能塑性和韧性指标都在正常值范 围内，且经随机抽样进行超声波探伤，没有发现任何 内部缺陷，可以认为符合设计要求。 3 结论与建议 销轴断裂事故是热处理工艺控制和材质缺陷引 起的。建议今后严格控制热加工工艺和热处理工 艺。该厂在严格控制热加工工艺和热处理工艺后， 至今未出现类似的销轴失效问题。 参考文献 [ 1 ] 任颂赞，张静江，陈质如．钢铁金相图谱I - M J ．上海上 海科学技术文献出版社，2 0 0 4 ． 版权声明 凡投稿本刊的文章，均视为同意本刊授权 的合作媒体使用。本刊支付的稿酬已包含授权 费用。 理化检验一物理分册编辑部 万方数据