（中国北车兰州机车有限责任公司质量保证部，兰州730050）

李硕

摘要：某内燃机车牵引电机转轴发生断裂，利用断口分析、低倍检验、金相分析、化学成分分析、力学性能分析等对断裂的电机转轴进行分析，结果表明，由于堆焊修复过程中，堆焊电流过大，造成的化学成分偏析，以致在冷却过程中造成条带状分布的铁素体，致使疲劳性能下降，在循环应力的作用下造成的早期高周疲劳断裂。

关键词：电机转轴；绿色制造；失效分析；疲劳；堆焊；再制造； 

1.情况简介

某机车公司检修的内燃机车，在出厂不到半年的时间，发生牵引电机转轴断裂，经拆卸检查，牵引电机转轴完全断裂，轴承箱顶部破裂，轴承箱内无缺油现象。电机其他部分完好。电机转轴断裂于R圆弧处，电机返厂后拆下的断裂的电机轴见图1。

图1

    电机转轴的材质为35CrMo，制造工艺为：下料     锻造     正火     调质     机械加工     探伤。经调查，该电机轴在厂修时曾进行堆焊修复，堆焊修复的工艺为：在电机转轴待修复部位进行切割打磨，除去待修复部分铁锈、油、水分及氧化皮等，将焊条在360℃烘干1小时，焊前对待修复部位进行适当加热，采用直流反接进行堆焊，堆焊后分别进行VT、UT及MT检查，焊条为结607焊条，是低氢钠型药皮的低合金高强度焊条，符合GB  E6015—D1要求。

笔者对断裂的电机转轴进行了检验分析。

2.理化检验

2.1断口检验

该电机转轴断口平齐，无明显的宏观塑性变形，断口上有十分明显的疲劳贝纹线，并且具有贝纹线的疲劳裂纹扩展区占据较大的面积，断口边缘呈棘轮状，为典型的扭转及弯曲多源疲劳断口，表明电机转轴的断裂属于疲劳断裂，裂纹起源于轴的表面，断口如图2.

图2

2.2化学分析

在断口附近1/2R处，按规定取样，进行化学分析，结果如表1.分析结果表明，材料成分符合GB/T3077--1999对35CrMo的规定。

表1化学成分分析结果（质量分数）                       %

2.3力学性能检验

按规定取样进行力学性能的检验。按照GB228—2002进行拉伸试验，按照GB229—2007进行冲击试验。结果如表2。

表2 拉伸试验结果

结果表明，力学性能符合电机转轴的技术要求。

2.4低倍检验

按照GB226-91进行低倍检验，结果如表3。

表3 电机轴低倍检验结果

结果表明，低倍符合GB/T3077--1999的要求。

2.5金相检验

采用DK7725型线切割机在断口附近切取金相试样，经磨光，利用金刚石喷雾剂进行抛光，按照GB10561--2005进行夹杂物的检验，检验结果为 ：A1，B1，C1，D0.5,试样经4%硝酸酒精溶液侵蚀后在400倍显微镜下观察，轴表面组织为索氏体，如图3，心部组织为索氏体+铁素体，如图4；对堆焊层分别在40倍，100倍和400倍显微镜下观察，结果如图5、图6、图7。由检验结果可见电机转轴表面和心部组织正常，基体和堆焊层之间熔合线附近无明显焊接缺欠，堆焊层组织主要为索氏体，但是沿着轴的径向，有呈条带状分布的铁素体，铁素体形状为针条状及块状。 

图3 电机轴表面组织 400×

图4 电机轴心部组织 400×

图5堆焊层与基体间的熔合线 40×

图6 熔合线两侧组织 100×

图7 堆焊层中的条状铁素体400×

3.分析讨论

由检验结果可以看出，该电机转轴的化学成分、力学性能、低倍及金相组织均符合标准及图纸要求。

由堆焊部分的金相检验结果可知，焊缝无明显的缺欠，热影响区组织无明显异常，但是在堆焊层中有沿轴径向分布的铁素体条带，在400倍下可以看到铁素体的形状为针状和块状，考虑到堆焊工艺的特点，这是由于成分不均匀，在冷却时的温度梯度的影响下造成的，而堆焊成分及组织不均匀，主要是堆焊电流过大造成的组织偏析[1]，铁素体硬度较低，尤其是针状铁素体强度和韧性均差，针对高周疲劳而言，材料的强度水平越高，疲劳极限越高[2]，强度越低，则疲劳极限也越低，并且铁素体与周围其他组织的变形不一致，易在相界面产生裂纹等缺陷。电机转轴在运行中主要承受扭转力矩和弯曲力矩[3]，且轴表面的应力是最大的，当组织中存在较多条状铁素体时，在循环应力的作用下，于轴表面很快萌生了疲劳裂纹，在运行中应力的持续作用下，裂纹不断扩展，达到临界尺寸，最终失稳扩展，导致断裂。

发生电机转轴断裂事故后，厂家已经停止了对电机转轴的堆焊修复，笔者认为这是不合理的，因为在机车修理中，零件修复工作十分重要，尤其在零件供应紧张，库存较少或零库存，并且机车检修周期短的情况下，更加体现出零件修复的必要性。从经济及生产成本考虑，一般情况下，制造一吨新零件大约需要3～5吨的原材料，而修复一吨零件只需数十公斤到数百公斤原材料，对钢质零件的堆焊修复在机车修理工作很重要，修复零件的成本仅为新零件的10～14%，能够花费较小的代价取得重大的经济效益，并且一般情况下，堆焊修复后的零件性能不但不会低于原来的性能，而且由于各种堆焊技术的发展，新技术及工艺的采用，修复后的零件的性能还会大大超过新造产品的性能[4]。除此以外，从环保方面看，零件制造从采矿、冶炼、锻造到热处理、机加工等各个环节都要消耗大量的能源，并且，造成较大的污染物排放，对环境影响较大。我们认为，只要严格执行堆焊工艺，就可以避免偏析造成的组织不均。或者略微增加焊条的碳含量，不仅有助于减少铁素体的产生，而且可以增加转轴表面的强度，而增加表面强度有助于提高高周疲劳性能，还可以采用等离子堆焊、激光熔覆等先进技术进行修复；国外在上世纪就进行了很多此类轴堆焊修复的研究工作[5][6],国内也进行了大量的堆焊修复工艺研究，尤其在电机转轴的堆焊修复中研究较多[7]～[10]，因此此类转轴的堆焊修复工艺至今已经是较为成熟的工艺。

4.结论及建议

该电机转轴的断裂是由于堆焊修复过程中，堆焊电流过大，造成化学成分的偏析，因而在冷却过程中造成沿轴径向呈条带状分布的铁素体，致使疲劳性能下降，在机车运行中，循环应力的作用下造成的早期高周疲劳断裂。

建议，严格执行堆焊修复工艺；或者改进堆焊工艺，采用强度高的焊条；或者采用等离子、激光熔覆等先进的堆焊修复工艺。

堆焊等零件修复，是符合现代再制造理念及先进的“绿色制造”新概念的先进制造工艺[11]，无论从缩短机车检修周期，降低机车检修成本，还是从节能减排等方面都有较大的优势，并且经过修复的零件的性能一般要超过新制造的零件，而且，研究表明，反复堆焊修复对零件基体的组织和性能影响很小，可以多次修复[12]。目前，国家自然科学基金、国家863及973工程研究项目中都已经将再制造工程及其失效分析列为研究课题。因此作为企业，应大力开展零件修复工作，开展修复工艺、修复零件检查工艺及修复零件失效分析的研究等相关工作。

参考文献

[1]  王娟，陈茂爱，孙俊生，等.表面堆焊与热喷涂技术[M].北京：化学工业出版社，2004：100.

[2]  陈南平，顾守仁，沈万慈.失效分析[M].北京：清华大学出版社，1998：80.

[3]  杨黎明.机械原理及机械零件（下册）[M].上海：高等教育出版社，1983:208.

[4]  李亚江，张永喜，王娟，等.焊接修复技术[M].北京：化学工业出版社，2005：2.

[5]  Ю.А.Коновалов.用硬质镀铁修复发电机电枢轴磨损配合面[J].国外机车车辆工艺.1984.1：19-24.

[6]  Н.И.Бойко.用耐磨材料堆焊并同时进行机加工的方法修复零件.[J].国外机车车辆工艺.1984.6：35-37.

[7]  刘和平.宋占煌.周世玲.1400KW电机转子轴的堆焊修复[J]. 焊接技术.2001.2：10.

[8]  孙致祥.牵引电机转轴堆焊工艺[J].机车车辆工艺.1997.02.

[9]  王正坚.55KW电机轴的堆焊修复工艺.[J].机械.1993.04.

[10]  周国聘.ZQDR-410牵引电动机转轴堆焊.[J].机车电传动.1993.06.

[11]  徐滨士.装备再制造工程及失效分析.[J].理化检验（物理分册）.2005.08：379～383.

[12]  华沂，吴益文，蒋海宁，等.多次再制造中加热对基体材料性能的影响.[J].理化检验（物理分册）.2009.09:532～534.