礦山立式破碎機(jī)錐形主軸屬于大型冶金裝備主要部件，具有噸位大、載荷大、服役條件復(fù)雜等特點(diǎn)，因此要求部件材質(zhì)具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性匹配。采用42CrMo鋼為主要材質(zhì)的礦山立式破碎機(jī)錐形主軸經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，可獲得回火索氏體組織，經(jīng)表面熱處理后硬度為HB241-269。此軸調(diào)質(zhì)處理后精加工，當(dāng)將該主軸吊到機(jī)床固定后發(fā)生斷裂。為判定斷裂原因，對該軸進(jìn)行斷裂失效檢驗(yàn)分析。
1、理化檢驗(yàn)
    該主軸制造工藝流程為：模鑄→鍛造→去應(yīng)力退火→粗加工→調(diào)質(zhì)熱處理→精加工→檢查裝配。
1.1化學(xué)成分分析
    主軸材質(zhì)為42CrMo鋼。失效主軸斷口截面Ø700 mm，截取失效主軸斷口處試樣分析其化學(xué)成分，化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)值參照GB/T 3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》，結(jié)果列于表1。從表1可見，主軸材質(zhì)中碳含量低于標(biāo)準(zhǔn)值下限，其它元素含量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2宏觀觀察
    失效主軸放置近1年，斷口表面已經(jīng)嚴(yán)重銹蝕，見圖1。從銹蝕的紋絡(luò)可見，開裂起始于主軸心部，裂紋向四周快速擴(kuò)展，表現(xiàn)出脆性瞬斷特征。
 
    靠近斷口截取主軸橫截面，磨制成低倍試樣，利用1:1鹽酸水溶液進(jìn)行熱酸浸，從而清晰地顯示出失效主軸的低倍組織及其缺陷，低倍檢驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2可見，主軸截面中心存在一定程度的中心疏松。

    金屬結(jié)晶時，以樹枝晶方式長大，由于樹枝晶的充分發(fā)展以及各晶枝間相互穿插和相互封鎖作用，使一部分液體被孤立分隔于各枝晶之間，凝固收縮時得不到補(bǔ)充，于是形成疏松。在一般情況下，疏松經(jīng)過壓力加工后，有些可以使孔隙焊合，變成致密組織。由此可見，失效主軸的鍛造比不夠，未消除中心疏松。若疏松比較嚴(yán)重，將大大降低鋼的機(jī)械性能。如果鋼材有嚴(yán)重的中心疏松，在鍛造時可能產(chǎn)生鍛件內(nèi)部或表面破裂，也可能在淬火時造成開裂。
1.3金相檢驗(yàn)
    在斷口表面邊部、1/4處、1/2處分別截取試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)。
    通過組織觀察發(fā)現(xiàn)，邊部、1/4處、1/2處的組織存在明顯的差異。邊部組織為貝氏體+鐵素體+珠光體（少量），見圖2(a)；1/4處組織為貝氏體+珠光體+鐵素體，貝氏體和珠光體呈區(qū)域性分布，見圖2(b)；1/2處組織為珠光體+鐵索體+貝氏體（少量），見圖2(c)。根據(jù)工藝要求，應(yīng)對主軸采用調(diào)質(zhì)熱處理。正常調(diào)質(zhì)組織應(yīng)為回火索氏體，大型截面中心區(qū)域有一定量的鐵素體和珠光體。而根據(jù)失效主軸邊部的貝氏體組織以及1/4、1/2處按區(qū)域分布的鐵素體、珠光體組織，可以推斷出其淬火冷速不夠和未回火完全消除內(nèi)應(yīng)力。未獲得理想的調(diào)質(zhì)組織及較大的淬火內(nèi)應(yīng)力極易導(dǎo)致主軸瞬間脆斷。

    對金相試樣磨制拋光后觀察其基體夾雜，可見主釉夾雜組成為球狀氧化物，見圖3(a)，沿晶分布的硫化物見圖3(b)，且硫化物在個別位置聚集，由此可見失效主軸的鍛造比不夠。
1.4力學(xué)性能
在失效主軸斷口處截取試樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行力學(xué)性能測試，力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)值參照CB/T17107-1997《鍛件用結(jié)構(gòu)鋼牌號和力學(xué)性能》，測試結(jié)果見表3。
 
失效主軸斷裂處截面直徑約為450 mm，失效主軸抗拉強(qiáng)度實(shí)測平均值比標(biāo)準(zhǔn)高11. 35%，而且沖擊值波動較大。
1.5拉力試樣和沖擊斷口試樣斷口微觀分析
    由于實(shí)物斷口嚴(yán)重破壞，無法進(jìn)行斷口微觀分析。為了進(jìn)一步判斷斷裂性質(zhì)，通過掃描電鏡對拉力和沖擊斷口進(jìn)行觀察分析，見圖4。從圖4(a)可以看出，斷口微觀形貌表現(xiàn)出明顯的解理特征，且存在大量二次裂紋。而斷口部分區(qū)域的微觀形貌為韌窩，經(jīng)能譜分析可知，韌窩內(nèi)分布著大量硫化錳夾雜，這應(yīng)該與結(jié)晶狀態(tài)有關(guān)，見圖4(b)，其形貌類似卵形，是由較大的夾雜物或第二相粒子先形成大韌窩核，大韌窩在長大過程中，其自由表面與一個小韌窩相遇，這時小韌窩完全附著在大韌窩之上。
2、斷裂原因分析
    考慮到熱處理存在的尺寸效應(yīng)，大型截面中心區(qū)域可能存在一定量的鐵素體和珠光體，破碎機(jī)錐形主軸也不例外。所以設(shè)計(jì)圖紙中明確規(guī)定主軸必須經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理獲得回火索氏體組織。但檢驗(yàn)結(jié)果表明，失效主軸基體組織為貝氏體+珠光體+鐵素體，而且主軸邊部、1/4處、1/2處組織存在明顯的差異。鋼中顯微組織不同，解理斷裂的傾向也不同。淬火后鋼中存在貝氏體，大大降低了鋼的韌性，有利于解理斷裂。42CrMo鋼是中等淬透性鋼，標(biāo)準(zhǔn)組織應(yīng)為調(diào)質(zhì)態(tài)的回火索氏體，當(dāng)熱處理制度不合理，加熱溫度、保溫時間和冷卻速度均達(dá)不到熱處理技術(shù)要求時，冷卻后得不到組織的一致性，導(dǎo)致組織應(yīng)力不均衡，在回火過程中不易消除內(nèi)應(yīng)力，易形成微裂紋。在機(jī)加工過程中，由于組織應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的綜合作用，使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)綜合應(yīng)力達(dá)到或超過基體強(qiáng)度時就會發(fā)生斷裂。如果內(nèi)部存在易造成應(yīng)力集中的缺陷，如疏松孔洞、夾雜物等，就會以此為斷裂源，發(fā)生早期斷裂。
3、結(jié)論
    42CrMo錐形主軸斷裂原因?yàn)椋河捎跓崽幚碇贫炔划?dāng)，未得到均勻、理想的回火索氏體組織。當(dāng)服役過程中承受較大的扭轉(zhuǎn)載荷時，主軸內(nèi)部組織應(yīng)力不均衡，加之回火不充分以及未消除的殘余應(yīng)力的共同作用，使組織內(nèi)部形成裂紋，裂紋快速擴(kuò)展后，導(dǎo)致主軸完全斷裂失效。
    為避免此類事件，應(yīng)改善主軸熱處理制度。進(jìn)行冷卻時，冷卻速度必須高于臨界冷卻速度。工件各部分的冷卻速度要盡可能均勻，以減少淬火變形和淬火裂紋的產(chǎn)生。要做到在臨界區(qū)域快速冷卻，危險(xiǎn)區(qū)域緩慢冷卻。這樣，就能夠在提高主軸強(qiáng)韌性的同時，盡量減少熱處理缺陷的產(chǎn)生，以避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。
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