Análise de falha por fissuração de acoplamento de luva e medidas de melhoria

Minha opinião:

A luva da broca 4Cr5Mo2V (acoplamento de luva) para perfuratriz hidráulica de rocha rachou após 10 dias de uso. As razões para a rachadura da luva da broca 4Cr5Mo2V foram analisadas por observação da morfologia da fratura, análise da composição química, propriedades mecânicas e testes de estrutura metalográfica. Os resultados mostram que o material e o desempenho do acoplamento da luva atendem aos requisitos padrão, e a razão para a rachadura da luva da broca é a fratura por fadiga causada pela concentração de tensão na gravação a laser da superfície. Uma camada de deformação aparece na extremidade da luva da broca sob a força de impacto, e a dureza aumenta devido ao endurecimento do trabalho, que é propenso a falhas de rachadura. É recomendado usar marcação impressa para evitar defeitos formados pela gravação a laser, reduzir a concentração de tensão na superfície da luva da broca e aumentar a vida útil da luva da broca.

Introdução

O equipamento de perfuração de rocha hidráulica é um equipamento avançado de perfuração de rocha usado em minas, túneis e projetos subterrâneos usando o método de perfuração e detonação. Ele realiza a mecanização e automação da tecnologia de perfuração, libera os trabalhadores da construção do trabalho de perfuração de rocha sob condições adversas e trabalho pesado, melhora a eficiência do trabalho e reduz a poluição. A luva adaptadora da haste é uma das partes importantes do mecanismo de buffer da perfuratriz hidráulica. A principal função da luva adaptadora da haste é desempenhar um papel limitador entre o adaptador da haste e o pistão do buffer. Ao mesmo tempo, prolonga a vida útil do pistão do buffer sob impacto de alta frequência. A luva adaptadora da haste transfere a energia de rebote para o pistão do buffer e empurra o adaptador da haste para redefinir quando o pistão do buffer retorna. Devido ao efeito da força de impacto cíclico, a forma comum de falha da luva adaptadora da haste é o colapso.

A luva adaptadora de haste 4Cr5Mo2V de uma determinada marca de perfuratriz de rocha é aquecida a 1010℃ em atmosfera controlada por forno durante o processamento e temperada duas vezes a 550℃ após a têmpera em óleo. O requisito técnico é que a dureza não seja inferior a 52HRC. A luva adaptadora de haste rachou após 10 dias de uso. Diferente do modo de falha de colapso das luvas adaptadoras de haste tradicionais, a luva adaptadora de haste rachou e entrou em colapso na extremidade. Ao inspecionar a morfologia macroscópica e microscópica da fratura da luva adaptadora de haste, a composição química, dureza, desempenho de impacto, inclusões e estrutura metalográfica da luva adaptadora de haste, a causa da rachadura da luva adaptadora de haste é analisada, o que fornece uma base teórica para melhorar ainda mais o processo de tratamento térmico da luva adaptadora de haste e melhorar a vida útil da perfuratriz hidráulica.

1 Processo experimental e resultados

1.1 Análise da morfologia macroscópica da manga da broca

A Figura 1 mostra a morfologia lateral e final da luva de broca com falha para perfuratriz de rocha. Pode ser visto na figura que a luva de broca tem uma rachadura axialmente penetrante, que passa pela linha gravada do meio e se estende ao longo da direção da seta até a extremidade da luva de broca; a outra extremidade da rachadura é a raiz da ranhura na extremidade da luva de broca. A amostra foi cortada ao longo do eixo da luva de broca para observar a morfologia da fratura da rachadura da luva de broca. Ao mesmo tempo, a composição do material, dureza, energia de absorção de impacto, inclusões e microestrutura da luva de broca foram testadas e analisadas.

A Figura 2 mostra a morfologia macroscópica da fratura da luva da broca. Pode ser visto na figura que a fratura é dividida principalmente em quatro áreas: A, B, C e D. A área A é relativamente plana e lisa, com arcos e linhas radiais dentro. De acordo com a direção dos arcos e linhas radiais, pode ser visto que a área elíptica marcada em 1 na Figura 2 é a fonte da trinca. A área B tem grandes flutuações, uma superfície relativamente lisa e arcos e linhas radiais dentro. De acordo com a direção dos arcos e linhas radiais, pode ser inferido que a área B se origina da área elíptica marcada em 2 na Figura 2. A área C é relativamente plana e lisa, com um grande número de linhas radiais dentro. De acordo com a direção das linhas radiais, pode ser visto que a área C se origina do lado esquerdo desta área. A área D tem grandes flutuações, o lado esquerdo é relativamente liso e o lado direito é relativamente áspero. De acordo com as características morfológicas da área D, pode-se ver que o lado esquerdo da área D se origina da área C no lado esquerdo desta área, e o lado direito se origina da superfície da luva do adaptador da haste. De acordo com a análise anterior, a rachadura da luva do adaptador da haste se origina da área elíptica 1 na Figura 2. Comparado com a morfologia lateral da luva do adaptador da haste com falha na Figura 1, pode-se ver que este local é a intersecção da linha da seta esquerda na superfície externa da luva do adaptador da haste.

1.2 Observação microscópica da fratura

As várias áreas da fratura na Figura 2 foram observadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV). A Figura 3 são as imagens de MEV de baixa e alta potência da área da fonte da trinca. Pode ser visto na figura que a área é relativamente plana em termos microscópicos, e a superfície tem deformação plástica óbvia, indicando que após a fratura ser formada, ela é comprimida uma contra a outra. A Figura 4 mostra imagens de MEV de baixa e alta potência da zona de extensão da trinca. Pode ser visto na figura que suas características são semelhantes às da área da fonte da trinca. Após a fratura ser formada, a deformação plástica ocorre devido à extrusão mútua. Comparada com as duas áreas, a deformação plástica da fratura é mais séria devido à formação anterior da área da fonte da trinca, mais tempos de extrusão da fratura e atrito.

1.3 Análise da composição química da luva adaptadora da haste

A composição química da luva adaptadora da haste foi testada usando o espectro. Pode ser visto que o material da luva adaptadora da haste atende aos requisitos de composição de aço 4Cr5Mo2V no padrão GB/T1299-2014 "Tool Steel".

1.4 Teste de propriedades mecânicas da luva adaptadora da haste

As amostras foram coletadas ao longo do eixo da luva adaptadora da haste, e o teste de propriedades mecânicas de impacto foi realizado de acordo com o padrão GB/T229-2020. O valor KU2 do material da luva adaptadora da haste é 28,7J.

1.5 Inclusões e análise da estrutura metalográfica

As inclusões do material da luva da broca foram observadas por microscópio óptico. De acordo com o padrão GB/T10561-2005 "Standard Rating Chart Microscopic Inspection Method for Determination of Non-metallic Inclusions in Steel", as inclusões não metálicas da luva da broca podem ser classificadas como A0, B0, C0, D0.5 e DS0.5.

As Figuras 7 a 9 são diagramas de microestrutura da face final, superfície externa e núcleo da luva da broca. Pode ser visto na figura que a microestrutura de cada área da luva da broca é troostita temperada + carboneto. Há uma camada de deformação formada pela interação com a broca na face final da luva da broca (área branca brilhante na Figura 7). Devido ao efeito de endurecimento por trabalho, a dureza da face final da luva da broca é ligeiramente maior. A camada branca brilhante abaixo da microestrutura do núcleo da luva da broca é a camada de óxido formada durante o processo de corte do fio.

2 Análise de resultados

O aço 4Cr5Mo2V é baseado na composição química do aço H13. Ele é fundido reduzindo o teor de silício e aumentando o teor de V. Ele tem boa temperabilidade, resistência ao calor e resistência ao desgaste e é amplamente utilizado em moldes de fundição sob pressão, moldes de estampagem a quente e moldes de forjamento a quente. O elemento Mo na liga melhora a temperabilidade do aço ao melhorar a estabilidade da austenita super-resfriada. Ao mesmo tempo, o Mo é um forte elemento formador de carboneto, que pode melhorar a dureza, resistência e resistência ao desgaste do aço, aumentar a tenacidade e a estabilidade de têmpera do aço. Durante o processo de têmpera, o vanádio dissolvido em sólido precipita na forma de compostos V (C, N), que desempenham um papel de fortalecimento de precipitação e endurecimento secundário, e aumentam a tenacidade em alta temperatura e a estabilidade de têmpera do aço. Após o recozimento e o tratamento térmico de têmpera e têmpera, a dureza do aço não é inferior a 52HRC, e a energia de absorção de impacto atinge 28,7J. Possui boa resistência ao desgaste da superfície e tenacidade do núcleo. Durante o uso, a luva do adaptador da haste pode suportar impactos cíclicos e tem uma boa vida útil à fadiga. Devido à necessidade de instalação e correspondência, a superfície externa da luva do adaptador da haste é marcada com linhas de laser. Na intersecção das linhas de seta, há concentração de tensão, formando uma fonte de fadiga, e a luva do adaptador da haste produz fratura por fadiga. A rachadura continua a se expandir sob a força de impacto, formando uma rachadura na luva do adaptador da haste. Sob o impacto, as duas faces finais da rachadura formada esfregam e se apertam, e a morfologia microscópica da superfície da fratura mostra deformação plástica. Devido à força de impacto do adaptador da haste e do pistão de amortecimento, uma camada de deformação aparece na extremidade da luva do adaptador da haste. Devido ao efeito de endurecimento por trabalho, a dureza da extremidade da luva do adaptador da haste aumenta e é fácil rachar durante o uso a longo prazo.

De acordo com o ambiente de trabalho e a forma de falha da luva adaptadora da haste, é recomendado que a marcação da luva adaptadora da haste adote o modo de impressão para evitar danos à superfície da luva adaptadora da haste causados ​​pela marcação de linha, resultando em concentração de tensão e rachaduras por fadiga na luva adaptadora da haste.

3 Conclusão

Por meio da inspeção e análise da morfologia macroscópica e microscópica da fratura da luva do adaptador da haste, da composição química do material, da dureza, do desempenho do impacto, das inclusões e da estrutura metalográfica, descobriu-se que a principal razão para a rachadura da luva do adaptador da haste é a fratura por fadiga causada pela concentração de tensão na linha do laser da superfície. A extremidade da luva do adaptador da haste terá uma camada de deformação sob a força de impacto, e a dureza da extremidade aumentará devido ao endurecimento do trabalho, o que causará facilmente rachaduras e falhas durante o uso. É recomendado usar marcações impressas e defeitos formados pela marcação a laser para reduzir a concentração de tensão na superfície da luva do adaptador da haste e aumentar a vida útil da luva do adaptador da haste.