牙轮材料强化与其萌生裂纹失效的关系

《牙轮材料强化与其萌生裂纹失效的关系》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、牙轮材料强化与其萌生裂纹失效的关系天鹰科技集团有限公司(原株洲东方工具厂)黄敦福提要：本文依据生产实际中所遇到的问题，对矿用三牙轮钻头的矛轮强化方法与使用过程中产生裂纹失效的关系进行了分析、探讨和改进。说明牙轮工作失效与裂纹萌生情况有关，而裂纹的萌生和扩展又与强化层的组织结构、硬度和深度有关。高淬透性的新型钻头专用钢对所要求的强化方法提供了十分有利的条件。为了防止牙轮先期断裂失效，必须充分强化产生最大剪切应力的安全地带，同时还要严格控制强化层的硬度梯度；为了防止硬质合金齿从齿孔脱出，必须保i汪--K,壁强度大于柱齿镶嵌应力和工作应力的叠加值。尤其要注意孔口和孔底部位的强化。关键词：牙轮淬

2、透性裂纹应力强度一、牙轮钻头使用失效的几种主要形式矿用钻头的设计型式经历了许多重大的改进，大都依据在使用过程中所实际反映出的问题决定的。其中，以改进牙轮的工作情况最为重要。这是因为：在钻井过程中，牙轮直接担负破碎岩石的任务，不断受到多冲、疲劳、磨擦等各种力的交互作用，工作环境较其它部件恶劣得多。矿用钻头一般皆由三片牙轮和三片牙掌组合焊接而成，牙轮和牙掌构成封闭式的磨擦付在影响钻头使用寿命上起着十分关键的作用。特别在硬地层、深井段的钻进过程中，矛盾更为突出。失效牙轮多数表现为以下几种形式：1．牙轮掉落：多数是经过井底工作一定周期之后，轮体的某一部位产生裂纹，并不同程度地向四周扩散，最后沿轴

3、向断裂。今年5月，我们在某有色矿山使用的矿用钻头，其主要的失效型式，经湖南大学材料学院分析，就属于这种情况。2．轮齿脱落：镶嵌的硬质合金齿受力后脱离轮体。这时，可清楚地看到齿孔周围的金属基体已严重变形，呈椭圆凹陷状。孔壁较薄的地方，齿孔外壁明显凸出。有些齿或已松动，或已扭转一定角度，最大达6㈣度，有些齿的外露部分已经折断。，3．磨损：牙轮外锥的金属基体磨损严重，有的甚至变秃。轴承部位的跑道金属基体径向尺寸增大，磨损量达到lq舢，有的部位同时伴生裂纹。特别在密封失效的情况下，磨损更为严重。结果使间隙增大，牙轮摇动。在实际工作中，造成牙轮先期损坏的原因很多：有操作上是否满足该型号钻头所要求的

4、相应工作环境，有设计上对零件尺寸和材料性能的配合是否考虑周全，有工艺上是否导致了过分的应力集中和其它削弱材料性能(包括未能充分发挥材料性能)的因素，等等。解决这些问题，需要具体问题具体分析，分别采取措施；但在实际生产过程中，倘若其它因素基本固定、且其影响范围不大的前提下，常常着重考虑改善热处理工艺，提高材料的服役性能，来提高矿用钻头的使用寿命。我们在这一方面作过一系列分析探索工作。二、牙轮钻头的失效分析1．裂纹特征的观察和分析：观察掉齿牙轮的齿孔部位，孔口部分多已开裂，开裂牙轮的轴承处有不少肉眼可见的小裂纹，分轴向和径向两种，轴向的居多。仔细观察这些裂纹，可看到它们遵循一定的规律：裂纹形

5、貌，除了极少数交叉裂纹之外，一般均呈直线型，彼此平行。裂纹走向与牙轮的旋转方向垂直，呈轴向分布。饶有趣味的是，有些裂纹开始在凸缘表面尚保持某一角度向前推进，后来很快自动调整了方向，与轴向渐趋一致了。有些刚萌生不久尚未来得及发展的裂纹，可以看出，是在大跑道与R槽过渡的台阶边缘产生，或者在镶焊耐磨合金的凹槽边缘出现的。这些情况说明：对于齿孔周围的金属基体，明显的塑性变形反映了它们的强度指标是过低的。在牙轮破碎岩石的巨大冲击疲劳负荷下，它对合金齿的固紧作用已经不足胜任了。齿孔开裂则进一步说明了工作应力已实际超过了它本身所允许的强度极限。对于渗碳轴承的表面，出现多种裂纹，是使牙轮致断的主要根源。

6、镶焊耐磨合金的凹槽和凸缘附近，应力集中程度较大，更是一个应该引起重视的薄弱部位。裂纹一旦在这些地方产生之后，不论它们原始方位如何，都要受到牙轮与牙掌之间相对运动的影响，只有那些与运动方向垂直的裂纹，两侧壁的张开位移较大，裂纹尖端的应力集中程度也较大，它们最易得到优先发展，故而轴向裂纹居多。2．金相组织和心表硬度的检测分析：我们曾对这些失效牙轮作过多次解剖分析，检查其关键部位的金相组织，测定其表面硬度和心部硬度。结果表明：渗碳轴承表面的组织，正常情况下一般为细马氏体、少量渗碳体和残余奥氏体，心部则为低碳马氏体、少量索氏体和铁素体。但失效牙轮往往出现异常组织状态：渗面表层保留有明显未消除的网

7、状渗碳体，产生裂纹的部位，马氏体的级别达到5级或更高。表1：断裂牙轮分析结果编钻头尺寸，渗碳层表面心部硬度表面金相组织心部金相组织号英寸硬度oRcoRe粗马氏体+渗碳体网+残余1958．柏43粗大马氏体+索氏体+铁素体奥氏体粗马氏体+渗碳体网+残余281，257-一59剐卜-43较粗马氏体+少量索氏体+铁素体奥氏体编钻头尺寸，渗碳层表面心部硬度表面金相组织心部金相组织号英寸硬度。RcoRc马氏体+渗碳体网+残余奥381，25昏一58