亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        LD鋼TBM滾刀刀圈破損失效分析

        2018-05-10 09:00:47郭聯(lián)金金林奎彭鐵坤
        機械研究與應用 2018年2期
        關鍵詞:變形

        郭聯(lián)金,金林奎,彭鐵坤

        (1.東莞職業(yè)技術學院,廣東 東莞 523808; 2.國家模具產品質量監(jiān)督檢驗中心,廣東 東莞 5238083)

        0 引 言

        LD ( 7Cr7Mo2V2Si )鋼是在美國專利鋼SVSCO-DIE的基礎上,對碳、鉻、鉬、釩、硅等元素的含量進行了調整,同時采用真空脫氧精煉工藝制成的高強韌性、高耐磨性冷作模具鋼[1]。與我國傳統(tǒng)使用較多的Cr12型模具鋼相比,LD鋼的碳化物偏析現(xiàn)象有所改善,二次硬化能力、耐磨性和使用壽命明顯提高[2]。在力學性能方面,LD鋼的抗彎強度、沖擊韌度、撓度顯著優(yōu)于其他萊氏體鋼。這些優(yōu)異的性能使其近年來被大量用于強沖擊、大載荷、易磨損的惡劣環(huán)境中。

        在某山體隧道施工工程中,采用全斷面隧道掘進機(Tunnel boring machine,TBM)進行破巖掘進,而與巖石直接接觸和作用的關鍵部件LD鋼滾刀刀圈頻繁發(fā)生早期磨損、開裂。由此導致的停機、換刀直接嚴重影響了施工進度,并大大增加了施工成本。通過施工現(xiàn)場調研得知,隧道沿線地質組成較復雜,施工區(qū)第一段主要為凝灰?guī)r,第二段主要為花崗巖。采樣兩種巖石進行力學試驗,測得凝灰?guī)r的抗壓強度為58.92 MPa,抗拉強度為4.32 MPa,是中等堅硬巖石(25~100 MPa);花崗巖抗壓強度為132.45 MPa,抗拉強度為8.36 MPa,是較堅硬及堅硬巖石(>100 MPa)。該盤形滾刀刀圈的外部直徑為480 mm,最大厚度100 mm,刀盤平均轉速7.65 r/min。

        TBM盤形滾刀主要由刀軸、刀體、刀圈、圓錐滾子軸承、端蓋、擋圈等部分組成,其基本結構如圖1所示。其中刀圈安裝于滾刀刀體上,是可拆卸的刀刃[3]。破巖施工時,刀圈在TBM推力的作用下壓緊在巖面上,隨著刀盤的旋轉,盤形滾刀刀圈一方面繞刀盤中心軸公轉,同時繞自身軸線自轉。滾刀刀圈在刀盤高推力和大扭矩的作用下,在巖面上切出一系列同心圓溝槽[4]。當推力超過巖石強度時,滾刀刀圈刃口下的巖石被擠壓貫入,碾壓起裂,破碎,完成破巖過程[5]。

        由于滾刀承受強沖擊、大載荷以及巖石的磨蝕作用,容易造成刀圈表層磨損及開裂;此外,在與巖石的強烈沖擊和摩擦過程中,刀圈會產生高溫而改變性能,冷卻時會產生較大應力而造成破壞,所以滾刀刀圈是滾刀磨損的主要部位[6]。其主要失效形式為崩刃、卷邊、斷裂和過量磨損。刀圈的磨損去除機制與其材料性能、施工地質類型、掘進參數(shù)等有關。為應對復雜多變的地質環(huán)境及極大的工作消耗,高性能的TBM刀圈材料需要具有高硬度、高耐磨性以及良好的沖擊韌性。此外,還需注重刀圈性能與地質的適應性、掘進參數(shù)、潤滑等其他與工況相關的影響因素。

        圖1 盤形滾刀的裝配結構(實物)

        1 宏觀檢查

        1.1 使用材料與工藝

        TBM盤形滾刀刀圈材料采用國產LD高強韌性冷作模具鋼(LD鋼),材料牌號為7Cr7Mo2V2Si鋼。LD鋼具有較高的強韌性、耐磨性和抗彎強度[7],熱加工工藝優(yōu)良,熱處理變形小,通用性強。LD鋼的高耐磨性可減少刀圈的磨損,延長使用壽命;高韌性使刀圈不易產生崩刃、開裂,保證破巖掘進的速度。故LD鋼適用于TBM盤形滾刀刀圈。測得該盤形滾刀刀圈的外部直徑為480 mm,最大厚度100 mm。最終熱處理工藝采用階梯式加熱保溫,加熱溫度及保溫時間為650℃/0.5h+850℃/1.5h+1120℃/2h,油淬后進行3次600 ℃/2 h回火。硬度要求為58~59 HRC,沖擊功(AKV)要求大于20 J/cm2。

        1.2 失效件特征分析

        TBM滾刀刀圈外緣設計成梯形的切削齒,改變了刀圈外緣結構,使它在工作時對巖石產生很強的挖掘力和擠壓力。刀盤旋轉時,刀圈的外緣銳邊切入巖石并將其挖掘脫離巖層,實現(xiàn)高速切入掘進,有效提高了滾刀刀圈的破巖效率。由于在使用過程中刀圈承受過強的擠壓和撞擊,表層破損形成坍塌和剝落;同時,變形刀圈的頂部表面出現(xiàn)坍塌和加寬,局部因產生大面積剝落而早期失效如圖2所示。

        圖2 刀圈失效件及取樣部位

        2 檢測與討論

        2.1 化學成分分析

        從盤形滾刀刀圈失效件上截取樣塊進行化學成分檢測,采用德國牛津FOUNDRY-MASTERPRO直讀光譜儀進行檢測,依據(jù)LD鋼材料成分范圍要求進行判定。檢測結果表明,刀圈的化學成分符合規(guī)范要求如表1所列。

        表1 原材料化學成分 /%

        2.2 力學性能檢測

        從該盤形滾刀刀圈自內圈部位至刃部依次取樣1~5個點,并加工成20 mm×20 mm×10 mm大小的試樣進行硬度檢測,采用奧地利ONESS Q150R全自動數(shù)顯洛氏硬度計進行檢測,檢測結果表明,實測硬度值符合客戶要求如表2,刀圈內圈部位至刃部硬度分布較為均勻。為了測定刀圈材料在動負荷下抵抗沖擊的性能,在刀圈的內圈部位和刃部分別取樣,并制成10 mm×10 mm×55 mm尺寸的標準夏比V形缺口沖擊試樣。

        表2 硬度檢測結果 /HRC

        采用CEAST 9050沖擊試驗機,按國標GB/T229-2007《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》對金屬材料進行沖擊試驗,測得刀圈內圈和刃部的沖擊吸收功分別為13.5 J、12.8 J,表明刀圈各部位沖擊韌性較為均勻,但沖擊吸收功不達標,未能滿足施工要求,反映材料的強韌性不足。

        2.3 掃描電鏡檢測

        采用德國蔡司SIGMA 300掃描電子顯微鏡進行檢測,TBM刀盤上的盤形滾刀刀圈表層磨損面,形成大量擠壓變形的溝槽,磨損面產生沿晶開裂的顯微裂紋,黑色點狀組織屬于表面蝕坑及硬質點脫落的孔洞如圖3(a)。在刀圈表面凹陷部位,沿晶開裂的顯微裂紋更為明顯,在斷口表面及裂紋間隙布滿硬質點顆粒和砂礫如圖3(b)。

        圖3 刀圈表面顯微組織

        在刀圈表面裂縫處及凹坑底部,鑲嵌了各種硬度高脆性大的夾雜物,凹坑底部的硬質鑲嵌物已經破碎,表面同時布滿瘤狀夾雜物。進一步觀察,這些瘤狀夾雜物與大塊的脆性夾雜物形態(tài)相似,表明瘤狀夾雜物是由更為細小的夾雜物組成如圖3(c)、(d)。為了進一步了解夾雜物的結構和組份,對該夾雜物進行微區(qū)能譜測試。

        2.4 微區(qū)能譜測試

        采用英國牛津INCA X-MAX 20X射線能譜儀,對刀圈磨損表面及粗大顆粒夾雜物進行微區(qū)能譜測試,測試區(qū)如圖所示,測試區(qū)域1為刀圈磨損表面如圖4(a),測試區(qū)域2為粗大顆粒夾雜物如圖4(c)。能譜儀測試結果表明,測試區(qū)域1的刀圈磨損表面含有C、Cr、Fe、Mo、Si、V等合金元素,化學成分顯示與刀圈材料相符合如圖4(b)。測試區(qū)域2的粗大顆粒夾雜物含有C、O、Si、Al、Na、K等合金元素,能譜測試結果顯示,實測的O、Si含量極高,占整個重量 比的95%左右,表明夾雜物主要由高氧高硅的Si2O石英礦石構成[8]如圖4(d),能譜測試結果如表3所列。

        圖4 微區(qū)能譜測試

        項目COCrFeMoSiVAlNaK區(qū)域17.593.806.4677.071.862.001.020.21------區(qū)域23.6161.21---0.95---33.78---0.220.150.08

        2.5 金相組織分析

        采用Axio Observer 7m金相顯微鏡觀察,盤形滾刀刀圈頂部的表層呈嚴重變形的纖維狀組織,這是由于刀圈表面受到嚴重擠壓和撞擊造成的。變形的白亮色網狀組織粗大,表明材料組織中偏析較嚴重。刀圈表層存在表面脫落的薄片層,色澤較為明亮,局部存在擠壓和撞擊的凹坑如圖5(a)。在接近刀圈頂部表層組織的變形程度更為嚴重,白亮色網狀組織幾乎都呈拉條狀。在刀圈表層有一條因變形造成的表面裂紋,裂紋延伸方向與晶粒的變形方向一致。由于受擠壓和撞擊的影響,表面已經形成臺階式的錯位如圖5(b)。

        刀圈頂部附近坍塌區(qū)的晶粒變形量達到最大狀態(tài),沿變形方向的縱向及橫向均產生開裂,形成三角形的表面剝落塊。白亮色的網狀組織,也已經被拉呈長條狀如圖6(a)。表面附近白亮色網狀組織被拉長為條狀,呈嚴重變形的纖維狀組織,沿纖維組織條間形成穿晶開裂的特征形貌。圖6(b)所示左下側的刀圈表層,存在厚度約80 μm的白亮層。經顯微硬度檢測,該白亮層區(qū)域的維氏硬度值為745 HV0.2,對應于洛氏硬度值為62 HRC,相當于該材料淬火硬度。由此表明,刀圈在服役過程中,擠壓和撞擊的表層產生高溫并迅速冷卻,形成白亮色的淬火組織[9]。次表層組織由于受熱影響,溫度升高使組織發(fā)生軟化,在作用環(huán)境的擠壓和撞擊下,形成變形嚴重的纖維狀組織及開裂[10]。

        位于遠離刀圈頂部的側面表層的白亮淬火層更為明顯,而表層附近的網狀組織變形量不大,可以斷定白亮層淬火組織,在刀圈開始使用時就已經形成,并且在服役過程中,隨著使用周期的延長,組織的變形程度越大,白亮層淬火組織發(fā)生磨損、開裂和疲勞片狀剝落如圖7。

        圖5 刀圈頂部表層組織(100×)

        圖6 刀圈頂部附近坍塌區(qū)表層組織(100×)

        圖7 刀圈側面表層組織(200×)

        靠近刀圈頂部附近的表層,組織為細針狀回火馬氏體+拉長的網狀碳化物。由于表面受熱和變形,碳化物幾乎碎化為細小顆粒狀。但由于碳化物顆粒密集,沿晶脆性增大,材料變形的擠壓硬化極易造成沿晶開裂如圖8。遠離刀圈頂部的基體,組織為粗針狀回火馬氏體+粗大網狀碳化物。采用國家標準GB/T14979-1994《鋼的共晶碳化物不均勻度評定法》檢測,依據(jù)國家標準 GB/T1299-2014《工模具鋼》評定,共晶碳化物不均勻度達5級。這種網狀共晶碳化物缺陷組織,使材料的強度大幅度降低,脆性顯著加大,同時沿網狀碳化物邊緣應力分布不均勻,增加盤形滾刀刀圈的開裂傾向。基體中粗針狀回火馬氏體組織,進一步降低材料的強韌性[11]如圖9。

        圖8 刀圈頂部附近表面組織(500×) 圖9 刀圈基體組織(500×)

        3 結果分析

        TBM施工區(qū)域的第一地段以凝灰?guī)r為主,屬于中等堅硬巖石,施工區(qū)域第二地段以花崗巖為主,屬于較堅硬及堅硬巖石。掘進施工時,巖石對刀圈表面產生微切削、微犁耕和表面疲勞剝落三種磨損作用。刀圈在第一地段服役時,由于巖石硬度不高,刀圈承受的沖擊較小,刀圈不易產生裂紋、磨損和剝落。但由于刀圈頂部表層材料組織中存在碳化物偏析,沿晶脆性增大,在巖石擠壓和撞擊下易產生沿晶開裂。組織中的硬質碳化物在切屑作用下產生斷裂和脆性剝落,從而在表層磨損面形成凹坑與孔洞;同時在犁耕作用下,產生擠壓變形溝槽。在第二地段服役時,刀圈承受花崗巖的強烈沖擊和劇烈摩擦,由于遠離刀圈頂部的基體中存在網狀共晶碳化物+粗針狀回火馬氏體缺陷組織,使基體材料的碳及合金元素含量降低,具有耐磨作用的顆粒狀碳化物顯著減少,材料脆性顯著加大,耐磨性及強韌性大幅度降低?;w中沿網狀碳化物邊緣的應力分布不均勻,易萌生顯微裂紋,進而延伸至刀圈表層,致使材料大塊疲勞剝落??梢姡m然刀圈的硬度較高,但其沖擊吸收功不足。刀圈在較堅硬的花崗巖地段掘進時,由于強韌性及耐磨性不足,在大載荷作用下,刀圈材料主要以大塊疲勞剝落方式磨損,從而發(fā)生早期開裂和失效。

        4 改進建議

        理想的TBM刀圈應是刀刃部分具有較高硬度,以保證切削性能,不易受壓變形;基體部分具有較高的韌性及一定硬度,可吸收碰撞沖擊,不易脆性斷裂[12]。在硬巖地質施工時,進口刀圈的耐磨性和使用壽命顯著優(yōu)于國產刀具。故可借鑒國外進口刀圈的選材和熱處理工藝,使刀圈材料達到一定硬度的同時,提高刀圈的耐磨性、強韌性,使之具有良好的綜合力學性能。

        當材料組織中的網狀及條狀碳化物較少時,顆粒狀碳化物均勻彌散分布于基體上,基體為細針狀回火馬氏體,材料的強韌性將顯著提高。LD冷作模具鋼刀圈基體的含碳量較高,且材料組織中存在網狀碳化物。因而須改進LD 鋼的冶煉及軋制工藝,適當降低刀圈基體中碳元素的含量,優(yōu)化各元素的配比,同時對原材料進行揉鍛,按照“三鐓三拔”的鍛造工藝,使網狀共晶碳化物充分細化和均勻彌散分布的顆粒狀碳化物,可提高材料的強韌性,增加耐磨性和耐沖擊性能。盤形滾刀刀圈在鍛造加工后,進行正火或高溫回火處理,然后進行一次球化處理,在后續(xù)熱處理才能得到均勻細化的組織[13]。最終熱處理過程中,嚴格執(zhí)行生產工藝和作業(yè)規(guī)程,控制好零件的加熱溫度及保溫時間,避免出現(xiàn)過熱粗大組織,保證材料的強韌性。同時,可嘗試真空熱處理+表面強化處理等新工藝手段。此外,刀圈的選材應與地質狀況相適應,根據(jù)不同的地質條件,調整掘進參數(shù),合理增加潤滑,可提高刀圈的破巖能力和磨損性能,進而延長刀圈的使用壽命。

        參考文獻:

        [1] 葉俊勇.LD鋼模具性能及熱處理工藝探討[J].金屬加工(熱加工),2011(9):33-36.

        [2] 王紅偉,顧 敏,趙少甫,等.LD鋼六角冷鐓模的真空熱處理[J].金屬熱處理,2015,40(4):121-124.

        [3] 劉海龍,曲傳詠,秦慶華.TBM滾刀刀圈與巖石的滑動磨損實驗研究[J].實驗力學,2015,30(3):289-298.

        [4] 王 旭,趙 羽,張寶剛,等.TBM滾刀刀圈磨損機理研究[J].現(xiàn)代隧道技術,2010,47(5):15-19.

        [5] 宋克志,袁大軍,王夢恕.盤形滾刀與巖石相互作用研究綜述[J].鐵道工程學報, 2005(6):72-75.

        [6] 夏毅敏,林賚貺,賀 飛,等.盤形滾刀刀圈結構地質適應性設計方法[J]. 機械工程學報,2018(1):10-17.

        [7] 祝溪明.冷作模具鋼性能優(yōu)化及應用研究[J].機械設計與制造,2014(4):248-251.

        [8] 張大同.掃描電鏡與能譜儀分析技術[M].廣東:華南理工大學出版社,2008.

        [9] 吳振海.常用模具鋼熱處理性能[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

        [10] 陳君才.金屬構件的失效分析[M].四川:成都科技大學出版社,1987.

        [11] 鄭學坊,邱允新,唐鎮(zhèn)南.金相分析技術[M].上海:上??茖W技術出版社,1987.

        [12] 張占杰,劉 樸,趙海峰,等.TBM滾刀刀圈材料性能的研究[J].鋼鐵研究,2013,41(1):18-21+26.

        [13] 呂 炎.鍛件缺陷分析與對策[M].北京:機械工業(yè)出版社,1999.

        猜你喜歡
        變形
        變形記
        談詩的變形
        中華詩詞(2020年1期)2020-09-21 09:24:52
        柯西不等式的變形及應用
        “變形記”教你變形
        不會變形的云
        “我”的變形計
        會變形的折紙
        童話世界(2018年14期)2018-05-29 00:48:08
        變形巧算
        例談拼圖與整式變形
        會變形的餅
        7194中文乱码一二三四芒果| 中文字幕第一页在线无码一区二区| 精品日本韩国一区二区三区| 天堂免费av在线播放| 人人做人人爽人人爱| 真实国产乱啪福利露脸| 无码av一区在线观看| 国产av一区二区三区天美| 97久久国产亚洲精品超碰热| 99久久人人爽亚洲精品美女| 亚洲国产精品国语在线| 国产成人美涵人妖视频在线观看| 2020国产在视频线自在拍| 青楼妓女禁脔道具调教sm| 亚洲AV伊人久久综合密臀性色| 国产精品99久久精品女同| 男女裸体做爰视频高清| 国产精品制服| 啪啪视频一区二区三区入囗| 久久精品国产亚洲av夜夜| 国产无遮挡aaa片爽爽| 欧美巨大性爽| 亚洲美女国产精品久久久久久久久| 人妖啪啪综合av一区| 高潮潮喷奶水飞溅视频无码| 亚洲AV永久无码制服河南实里 | av成人一区二区三区| 亚洲av久久久噜噜噜噜| 午夜一级韩国欧美日本国产 | 欧美嫩交一区二区三区 | 午夜性刺激免费视频| 日本在线免费一区二区三区| 精品无码国产一区二区三区麻豆| 亚洲成av人片在线观看ww| 亚洲中文字幕在线爆乳| 亚洲天堂一区二区三区| 门卫又粗又大又长好爽| 日本www一道久久久免费榴莲 | 日日麻批免费40分钟无码| 日韩av高清无码| 亚洲一区二区观看网站|