機用絲錐早期失效分析論文

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【論文摘要】總結了機用絲錐早期失效的三種形式：斷裂、崩刃及非正常磨損，并分別對其產生的原因進行了分析，提出了解決絲錐、板牙早期失效的措施。

高速鋼絲錐、板牙是廣泛用于瑪鋼管件、不銹鋼管件、閥門、石油機械、壓力容器等各種機械零件內外縲紋加工的高效加工工具。由于被加工件強度高或被加工件質量不穩定，再加上絲錐、板牙制造過程中出現的一些問題，往往導致機用絲錐、板牙的早期失效。機用絲錐、板牙的主要失效形式包括斷裂、崩刃、磨損等。由于以這三種方式失效的絲錐、板牙都遠未達到正常的使用壽命，因此造成較大的經濟損失。現分別進行分析。

1．斷裂

斷裂主要發生在絲錐上（板牙較少發生斷裂），一般是沿絲錐整個橫截面裂開。筆者通過對大量絲錐斷裂失效案例的分析，認為絲錐斷裂的主要原因有以下幾個方面。

（1）焊接不良

為節省昂貴的高速鋼，絲錐柄、刃分別采用45鋼與高速鋼經摩擦對焊而成。大量的絲錐斷裂是由于焊接不牢造成的。絲錐的焊接質量主要由焊接摩擦壓力、摩擦時間、頂鍛壓力及頂鍛時間決定。摩擦階段要使45鋼和高速鋼接觸面上的低熔點化合物等有害雜質都被擠出，最后在適當的頂鍛壓力下擠壓在一起。

焊接時，由于45鋼在高溫下強度很底，在摩擦壓力下會產生很大的壓縮變形，形成很大的翻邊；而高速鋼由于有足夠強度使翻邊很小，這就使待焊表面高速鋼一側的低熔點化合物未被完全擠出，焊后容易產生裂紋，在絲錐使用過程中裂紋擴展造成斷裂。

此外，絲錐焊接后如果消除應力不及時，也很容易在熱影響區產生斷裂。

因此，在生產中我們采用在45鋼一端加保護套的方法解決上述問題(見圖1)。由于保護套限制了45鋼被過量壓縮，保證了焊接時摩擦壓力傳遞到高速鋼一側，使其翻邊增大，接觸面上的有害雜質被擠出來，焊接很牢固。同時焊接后要立即將絲錐投入到保溫爐中退火，以消除焊接應力。

（2）結構不合理

若絲錐結構設計不合理也會造成斷裂。

①絲錐有效截面積過小，導致單位截面積承載力過大，超過絲錐強度極限時發行的斷裂。

②絲錐截面過渡處尺寸差別太大或沒有設計過渡圓角導致應力集中，使用時易在應力集中處發生斷裂。柄、刃交界處的截面過渡處離焊口距離太近(即圖2中S過小)，導致復雜的焊接應力與截面過渡處的應力集中相迭加，產生較大的應力集中，導致絲錐在使用中斷裂。

（3）熱處理工藝不當

絲錐熱處理時，若淬火加熱前不經預熱、淬火過熱或過燒、不及時回火及清洗過早都有可能導致絲錐產生裂紋。

（4）使用不當

絲錐在使用中遇到高硬工件、尺寸不規范工件或加工時絲錐與被加工件不同心，導致扭力過大，也可能導致絲錐折斷。

2．崩刃

崩刃是絲錐、板牙使用中早期失效的另一種主要形式，其表現為切削刃崩掉，絲錐、板牙無法正常使用。導致絲錐崩刃的因素很多，主要有以下幾個方面：

（1）原材料質量問題

我廠采用W6Mo5Cr4V2或W9Mo3Cr4V作為制造絲錐、板牙的原材料，經淬火、回火后硬度一般在64～66HRC，材料脆性很高，強韌性較低。當原材料中化學成分C及雜質S、P、Si、Mn超標時，會使絲錐脆性增大；當低倍組織中存在夾雜氣孔、組織疏松時，也會使材料脆性增加，造成絲錐使用時崩刃。

原材料碳化物不均勻度過大，絲錐也容易崩刃。若材料組織中出現大塊碳化物，絲錐使用過程中大塊碳化物處會產生集中應力，使大塊碳化物脫落，造成崩刃。若一次碳化物出現網狀分布，由于碳化物網對基體有割裂作用，因此也易使絲錐崩刃。通過對實際使用中出現崩刃和完好無損的絲錐切削刃進行金相觀察，發現未崩刃的絲錐中碳化物細小、圓整、分布均勻，而發生崩刃的絲錐中碳化物分布不均、呈堆積狀或顆粒較大。

（2）熱處理不當

絲錐熱處理不當如淬火加熱溫度過高、回火不充分等都會導致崩刃現象。

絲錐熱處理時如出現過熱，其組織晶粒度將變粗大。經驗表明：淬火晶粒度大于9.5級時，材料組織的脆性將增大。而熱處理嚴重過熱時，組織中的碳化物將在晶粒邊界聚集后析出，碳化物出現脫尾，甚至出現半網狀碳化物。這樣的組織使得絲錐、板牙變得非常脆，使用時容易崩刃。

此外，絲錐淬火后的回火也很關鍵。如果回火不充分，組織中殘余奧氏體較多。由于絲錐、板牙加工螺紋時切削阻力很大，絲錐與工件接觸部分溫度很容易升高，當再次冷卻時，組織中未轉變的殘余奧氏體將會有一部分轉變成馬氏體。這部分馬氏體在絲錐下次使用前是未經回火的，而未經回火的馬氏體非常脆，容易導致崩刃的發生。

我們在質量檢測中針對回火爐內溫度分布不均勻造成一部分絲錐回火不充分的問題進行改進，同時采用560℃×1小時三次回火，使絲錐全部達到充分回火，大大減少了崩刃現象。

3．磨損

絲錐、板牙的磨損是指絲錐、板牙使用時間不長，其切削刃就被磨掉一部分，使牙型尺寸變小而無法使用。導致這種現象主要有以下兩個原因。

（1）基體硬度低

材料成分中C及合金元素含量低或碳化物不均勻分布可導致硬度低。淬火加熱不足、表面脫碳、表面腐蝕都可使絲錐表面硬度降低而導致耐磨性不足。

（2）磨削退火導致耐磨性下降

有時絲錐、板牙的基體硬度正常，但在切削時仍易磨損。在排除了被加工件異常的因素后，對參與切削加工的絲錐牙型進行了硬度測試，發現有一部分牙尖較軟。經分析，發現由于磨削時吃刀過大，牙型溫升太快，產生了磨削退火，導致牙尖硬度降低，耐磨性不夠。經改進磨削工藝后，絲錐耐磨性顯著提高。

4．絲錐失效的預防措施

（1）精選材料：嚴格控制絲錐材料的化學成分、低倍組織及碳化物不均勻度。

（2）優化工藝：焊接柄、刃部時加保護套，熱處理時嚴防過熱，回火一定要充分，磨削時要絕對防止磨削退火。

（3）精心設計：截面尺寸有變化時要注意有圓角過渡，避免應力集中；柄、刃部對焊件焊口離柄刃交界處距離不能太小。