Análisis de falla por agrietamiento de manguitos de acoplamiento y medidas de mejora
Mi opinión:
El manguito de la broca 4Cr5Mo2V (acoplamiento de manguito) para perforadora hidráulica de roca se agrietó después de 10 días de uso. Las razones del agrietamiento del manguito de la broca 4Cr5Mo2V se analizaron mediante la observación de la morfología de la fractura, el análisis de la composición química, las propiedades mecánicas y la prueba de la estructura metalográfica. Los resultados muestran que el material y el rendimiento del acoplamiento de manguito cumplen con los requisitos estándar, y la razón del agrietamiento del manguito de la broca es la fractura por fatiga causada por la concentración de tensión en el grabado láser de la superficie. Una capa de deformación aparece en el extremo del manguito de la broca bajo la fuerza de impacto, y la dureza aumenta debido al endurecimiento por trabajo, que es propenso a la falla por agrietamiento. Se recomienda utilizar marcado impreso para evitar defectos formados por el grabado láser, reducir la concentración de tensión en la superficie del manguito de la broca y aumentar la vida útil del manguito de la broca.
Introducción
La plataforma de perforación de roca hidráulica es un equipo avanzado de perforación de roca utilizado en minas, túneles y proyectos subterráneos mediante el método de perforación y voladura. Realiza la mecanización y automatización de la tecnología de perforación, libera a los trabajadores de la construcción del trabajo de perforación de roca en condiciones duras y mano de obra pesada, mejora la eficiencia del trabajo y reduce la contaminación. El manguito adaptador de vástago es una de las partes importantes del mecanismo amortiguador de la perforadora de roca hidráulica. La función principal del manguito adaptador de vástago es desempeñar un papel limitante entre el adaptador de vástago y el pistón amortiguador. Al mismo tiempo, prolonga la vida útil del pistón amortiguador bajo impacto de alta frecuencia. El manguito adaptador de vástago transfiere la energía de rebote al pistón amortiguador y empuja el adaptador de vástago para restablecerlo cuando el pistón amortiguador regresa. Debido al efecto de la fuerza de impacto cíclica, la forma de falla común del manguito adaptador de vástago es el colapso.
El manguito adaptador de vástago 4Cr5Mo2V de una determinada marca de perforadora de roca se calienta a 1010 ℃ en una atmósfera controlada por horno durante el procesamiento y se templa dos veces a 550 ℃ después del temple en aceite. El requisito técnico es que la dureza no sea inferior a 52HRC. El manguito adaptador de vástago se agrietó después de 10 días de uso. A diferencia del modo de falla por colapso de los manguitos adaptadores de vástago tradicionales, el manguito adaptador de vástago se agrietó y colapsó al final. Al inspeccionar la morfología macroscópica y microscópica de la fractura del manguito adaptador de vástago, la composición química, la dureza, el rendimiento de impacto, las inclusiones y la estructura metalográfica del manguito adaptador de vástago, se analiza la causa del agrietamiento del manguito adaptador de vástago, lo que proporciona una base teórica para mejorar aún más el proceso de tratamiento térmico del manguito adaptador de vástago y mejorar la vida útil del taladro hidráulico de roca.
1 Proceso experimental y resultados
1.1 Análisis de la morfología macroscópica del manguito de la broca
La figura 1 muestra la morfología lateral y final de la manga de la broca para perforadora de roca que falló. Se puede ver en la figura que la manga de la broca tiene una grieta que penetra axialmente, que pasa a través de la línea grabada central y se extiende a lo largo de la dirección de la flecha hasta el extremo de la manga de la broca; el otro extremo de la grieta es la raíz de la ranura en el extremo de la manga de la broca. La muestra se cortó a lo largo del eje de la manga de la broca para observar la morfología de la fractura de la grieta de la manga de la broca. Al mismo tiempo, se probaron y analizaron la composición del material, la dureza, la energía de absorción de impacto, las inclusiones y la microestructura de la manga de la broca.
La Figura 2 muestra la morfología macroscópica de la fractura de la manga de la broca. Se puede ver en la figura que la fractura se divide principalmente en cuatro áreas: A, B, C y D. El área A es relativamente plana y lisa, con arcos y líneas radiales en su interior. De acuerdo con la dirección de los arcos y líneas radiales, se puede ver que el área elíptica marcada con 1 en la Figura 2 es la fuente de la grieta. El área B tiene grandes fluctuaciones, una superficie relativamente lisa y arcos y líneas radiales en su interior. De acuerdo con la dirección de los arcos y líneas radiales, se puede inferir que el área B se origina en el área elíptica marcada con 2 en la Figura 2. El área C es relativamente plana y lisa, con una gran cantidad de líneas radiales en su interior. De acuerdo con la dirección de las líneas radiales, se puede ver que el área C se origina en el lado izquierdo de esta área. El área D tiene grandes fluctuaciones, el lado izquierdo es relativamente liso y el lado derecho es relativamente rugoso. Según las características morfológicas del área D, se puede ver que el lado izquierdo del área D se origina del área C en el lado izquierdo de esta área, y el lado derecho se origina de la superficie del manguito adaptador de vástago. Según el análisis anterior, la grieta del manguito adaptador de vástago se origina del área elíptica 1 en la Figura 2. En comparación con la morfología lateral del manguito adaptador de vástago averiado en la Figura 1, se puede ver que este lugar es la intersección de la línea de flecha izquierda en la superficie exterior del manguito adaptador de vástago.
1.2 Observación microscópica de la fractura.
Las diversas áreas de la fractura en la Figura 2 se observaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM). La Figura 3 son las imágenes SEM de baja y alta potencia del área de la fuente de la grieta. Se puede ver en la figura que el área es relativamente plana en términos microscópicos y la superficie tiene una deformación plástica obvia, lo que indica que después de que se forma la fractura, se aprietan entre sí. La Figura 4 muestra imágenes SEM de baja y alta potencia de la zona de extensión de la grieta. Se puede ver en la figura que sus características son similares a las del área de la fuente de la grieta. Después de que se forma la fractura, se produce una deformación plástica debido a la extrusión mutua. En comparación con las dos áreas, la deformación plástica de la fractura es más grave debido a la formación más temprana del área de la fuente de la grieta, más extrusión de la fractura y tiempos de fricción.
1.3 Análisis de la composición química del manguito adaptador de vástago
La composición química del manguito adaptador de vástago se probó utilizando el espectro. Se puede ver que el material del manguito adaptador de vástago cumple con los requisitos de composición del acero 4Cr5Mo2V en la norma GB/T1299-2014 sobre acero para herramientas.
1.4 Prueba de propiedades mecánicas del manguito adaptador de vástago
Las muestras se tomaron a lo largo del eje del manguito adaptador de vástago y se realizó la prueba de propiedades mecánicas de impacto de acuerdo con la norma GB/T229-2020. El valor KU2 del material del manguito adaptador de vástago es 28,7 J.
1.5 Inclusiones y análisis de estructura metalográfica
Las inclusiones del material de la manga de la broca se observaron con microscopio óptico. De acuerdo con la norma GB/T10561-2005 Tabla de clasificación estándar Método de inspección microscópica para la determinación de inclusiones no metálicas en acero, las inclusiones no metálicas de la manga de la broca se pueden clasificar como A0, B0, C0, D0,5 y DS0,5.
Las figuras 7 a 9 son diagramas de microestructura de la cara final, la superficie exterior y el núcleo del manguito de la broca. Se puede ver en la figura que la microestructura de cada área del manguito de la broca es troostita templada + carburo. Hay una capa de deformación formada por la interacción con la broca en la cara final del manguito de la broca (área blanca brillante en la figura 7). Debido al efecto de endurecimiento por trabajo, la dureza de la cara final del manguito de la broca es ligeramente superior. La capa blanca brillante debajo de la microestructura del núcleo del manguito de la broca es la capa de óxido formada durante el proceso de corte de alambre.
2 Análisis de resultados
El acero 4Cr5Mo2V se basa en la composición química del acero H13. Se funde reduciendo el contenido de silicio y aumentando el contenido de V. Tiene buena templabilidad, resistencia al calor y resistencia al desgaste y se usa ampliamente en moldes de fundición a presión, moldes de estampación en caliente y moldes de forja en caliente. El elemento Mo en la aleación mejora la templabilidad del acero al mejorar la estabilidad de la austenita superenfriada. Al mismo tiempo, Mo es un fuerte elemento formador de carburo, que puede mejorar la dureza, la resistencia y la resistencia al desgaste del acero, aumentar la tenacidad y la estabilidad del revenido del acero. Durante el proceso de revenido, el vanadio disuelto sólido precipita en forma de compuestos V (C, N), que desempeña un papel de fortalecimiento por precipitación y endurecimiento secundario, y mejora la tenacidad a alta temperatura y la estabilidad del revenido del acero. Después del tratamiento térmico de recocido y temple y revenido, la dureza del acero no es inferior a 52HRC y la energía de absorción de impacto alcanza los 28,7 J. Tiene buena resistencia al desgaste superficial y tenacidad del núcleo. Durante el uso, el manguito adaptador de vástago puede soportar impactos cíclicos y tiene una buena vida útil por fatiga. Debido a la necesidad de instalación y combinación, la superficie exterior del manguito adaptador de vástago está marcada con líneas láser. En la intersección de las líneas de flecha, hay concentración de tensión, formando una fuente de fatiga, y el manguito adaptador de vástago produce una fractura por fatiga. La grieta continúa expandiéndose bajo la fuerza del impacto, formando una grieta pasante en el manguito adaptador de vástago. Bajo el impacto, las dos caras finales de la grieta formada se frotan y se aprietan entre sí, y la morfología microscópica de la superficie de la fractura muestra una deformación plástica. Debido a la fuerza de impacto del adaptador de vástago y el pistón amortiguador, aparece una capa de deformación en el extremo del manguito adaptador de vástago. Debido al efecto de endurecimiento por trabajo, la dureza del extremo del manguito adaptador de vástago aumenta y es fácil de agrietar durante el uso a largo plazo.
De acuerdo con el entorno de trabajo y la forma de falla del manguito adaptador de vástago, se recomienda que el marcado del manguito adaptador de vástago adopte el modo de impresión para evitar daños a la superficie del manguito adaptador de vástago causados por el marcado de línea, lo que resulta en concentración de tensión y grietas por fatiga en el manguito adaptador de vástago.
3 Conclusión
A través de la inspección y análisis de la morfología macroscópica y microscópica de la fractura del manguito adaptador de vástago, la composición química del material, la dureza, el rendimiento de impacto, las inclusiones y la estructura metalográfica, se descubre que la principal razón del agrietamiento del manguito adaptador de vástago es la fractura por fatiga causada por la concentración de tensión en la línea láser de la superficie. El extremo del manguito adaptador de vástago tendrá una capa de deformación bajo la fuerza de impacto, y la dureza del extremo aumentará debido al endurecimiento por trabajo, lo que provocará fácilmente grietas y fallas durante el uso. Se recomienda utilizar marcas impresas y defectos formados por marcado láser para reducir la concentración de tensión en la superficie del manguito adaptador de vástago y aumentar la vida útil del manguito adaptador de vástago.
