某型水平定向鉆機(jī)保護(hù)短接頭斷裂失效分析

閆志霞 李 明 楊 明

（徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司，江蘇徐州221000）

0 引言

水平定向鉆機(jī)是一種在不開(kāi)挖地面的情況下，可以鋪設(shè)多種地下管道、電纜等的基礎(chǔ)施工機(jī)械，它在電力、供水、天然氣、石油等柔性軟線(xiàn)鋪設(shè)中起到不可或缺的作用。水平定向鉆動(dòng)力頭如圖1所示，是水平定向鉆機(jī)的主要執(zhí)行元件之一，旋轉(zhuǎn)總成主要靠馬達(dá)或者馬達(dá)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪，通過(guò)齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭主軸的旋轉(zhuǎn)，保護(hù)短接頭是連接短接頭和鉆桿的主要元件，通過(guò)旋轉(zhuǎn)主軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鉆桿和鉆頭旋轉(zhuǎn)，完成施工過(guò)程的旋轉(zhuǎn)切削。我公司一臺(tái)水平定向鉆機(jī)在做整機(jī)過(guò)載保護(hù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，動(dòng)力頭保護(hù)短接頭出現(xiàn)斷裂，斷裂截面位置如圖2所示。

圖1 水平定向鉆動(dòng)力頭

圖2 保護(hù)短接頭斷裂截面位置

1 分析過(guò)程

1.1 動(dòng)力頭保護(hù)短接頭設(shè)計(jì)要求

材料：42CrMo；熱加工流程：鍛造→正火→調(diào)質(zhì)→螺紋端氮化處理；技術(shù)要求：正火晶粒度7 ～9 級(jí)，調(diào)質(zhì)硬度HBW280 ～320；氮 化 層 厚 度0.10 ～0.15 mm，表 面 硬 度HV500～600。

1.2 宏觀分析

斷裂口的端面外形及宏觀外形如圖3所示，斷裂位置位于鉆桿螺紋的根部，沿螺紋底部徑向斷裂。斷口表面內(nèi)孔與外圓均有若干撕裂臺(tái)階和眾多方向一致的弧形撕裂痕，周?chē)鸁o(wú)明顯塑性變形痕跡及剪切唇，斷口表面有局部水銹色。

圖3 斷裂口的端面外形及宏觀外形

從圖3可以看出，保護(hù)短接頭螺紋斷口端面與軸線(xiàn)大致垂直，沒(méi)有塑性變形的痕跡，端口截面呈明顯的粗糙放射性花紋形狀，在整個(gè)端口平面上可以看到分布較密的裂紋臺(tái)階。由斷裂面的外形可以看出，裂紋源起始在鉆桿螺紋的外表面，最后斷裂在內(nèi)孔。斷裂過(guò)程分析：在水平定向鉆動(dòng)力頭扭矩的作用下，首先在保護(hù)短接頭的螺紋根部的某一缺陷點(diǎn)開(kāi)始起裂，如圖3中的A區(qū)，可看到放射線(xiàn)從表面螺紋根部一點(diǎn)向內(nèi)側(cè)及兩側(cè)擴(kuò)展，所以在整個(gè)圓周方向很快形成其他裂紋，在表面裂紋形成后即快速地向內(nèi)壁擴(kuò)展，形成的裂紋如圖3中的B區(qū)和D區(qū)；實(shí)際上B區(qū)和D區(qū)都是A區(qū)裂紋向兩側(cè)擴(kuò)展形成的。所以當(dāng)B區(qū)與D區(qū)裂紋匯合不在一個(gè)斷裂垂直平面上時(shí)，最后撕裂在一個(gè)臺(tái)階上形成了C區(qū)。整個(gè)斷裂過(guò)程是一次性快速形成的，但是裂紋形成擴(kuò)展的速度有先后，在A區(qū)起裂后，裂紋擴(kuò)展至整個(gè)截面。其中，A、B、D區(qū)的放大形貌如圖4所示。

圖4 A、B、D區(qū)的放大形貌

從圖4中A、B、D區(qū)的放大形貌可看到，圓周表面裂紋比中間細(xì)小，由此推斷整個(gè)保護(hù)短接頭表面和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)存在差異，表面材料組織比心部韌性好，初步分析斷裂形式為一次脆性斷裂。

1.3 顯微分析

為了檢測(cè)出保護(hù)短接頭的螺紋內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)是否存在差異，本文在端面的A區(qū)取樣，通過(guò)取樣的試樣縱向截面觀察它的顯微組織，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定——標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》（GB/T 10561—2005），采用A法檢測(cè)其非金屬夾雜物，對(duì)每一類(lèi)夾雜物按細(xì)系和粗系記下與所檢驗(yàn)面上最?lèi)毫右晥?chǎng)相符合的圖片的級(jí)別數(shù)。非金屬夾雜物結(jié)構(gòu)放大100倍如圖5所示，細(xì)系：A0.5，B0.5，C0.5，D1.0；粗系：A0，B0，C0，D0，DS0.5。晶粒度放大200倍如圖6所示，經(jīng)顯微觀察對(duì)比確定為九級(jí)精度，可以看出金屬夾雜物與晶粒度符合要求，不存在異常。在顯微鏡下觀察其顯微組織，在放大50倍時(shí)觀察存在明顯的暗區(qū)組織，如圖7所示。顯微組織放大500倍觀察如圖8所示，亮區(qū)組織為保持馬氏體位向的回火索氏體+角塊狀未溶鐵素體，暗區(qū)組織為保持馬氏體位向的回火索氏體+少量鐵素體。按常規(guī)制樣方法制樣，經(jīng)腐蝕后試樣表面出現(xiàn)明顯枝晶狀條帶，如圖9所示。放大200倍觀察其氮化層深度，如圖10所示，經(jīng)測(cè)量大部分區(qū)域?yàn)?.070 mm，其中白亮層0.003 mm。

圖5 非金屬夾雜物結(jié)構(gòu)放大100倍

圖6 晶粒度放大200倍

圖7 顯微組織放大50倍

圖8 顯微組織放大500倍

1.4 硬度測(cè)試

圖9 浸酸低倍晶枝狀組織

圖10 氮化層深度

對(duì)此保護(hù)短接頭取樣，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》（GB 231.1—2018）和《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》（GB 230.1—2018）分別進(jìn)行布氏和洛氏硬度測(cè)試。其中，亮區(qū)材料的維氏硬度在HV0.3274，洛氏硬度在HRC26.3，轉(zhuǎn)化為布氏硬度為HBW261。暗區(qū)材料的維氏硬度在HV0.3359，洛氏硬度在HRC36.6，轉(zhuǎn)化為布氏硬度為HBW342，其硬度值與零件圖紙技術(shù)要求中HBW280～320基本吻合。圖紙中氮化層深度要求為0.1～0.15 mm，實(shí)測(cè)低于0.07 mm部分區(qū)域的滲氮層厚度只有0.03 mm，經(jīng)過(guò)精度測(cè)試，氮化層取三點(diǎn)測(cè)量，硬度分別為HR15N82.6、HR15N81.6、HR15N82.8，平均值為HR15N82.3，洛氏硬度換算成維氏硬度是HV423，低于技術(shù)要求。從顯微組織觀察結(jié)果也可反映出硬度偏低，淬火前的組織成分不均勻。

2 分析結(jié)果

由以上分析檢測(cè)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：該斷裂短接頭的斷口具有多源扭轉(zhuǎn)斷裂斷口特征，斷裂源位于螺紋根部；氮化層深度（0.07 mm）和硬度（HV423）均低于圖紙技術(shù)要求；顯微組織中存在枝晶狀鑄態(tài)遺傳組織缺陷，易形成較大的組織應(yīng)力，在扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的共同作用下，一旦外加載荷超過(guò)該短接頭的強(qiáng)度極限時(shí)，易產(chǎn)生與扭轉(zhuǎn)方向一致的徑向斷裂。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)動(dòng)力頭保護(hù)短接頭的斷裂問(wèn)題，需要從鍛造、機(jī)加工及熱處理方面，通過(guò)多方位深入的分析研究，采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，主要包括以下三個(gè)方面：一是需要嚴(yán)格控制制造工藝，確保得到所需要的組織結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足晶粒度及加工精度要求；二是要保證機(jī)加工表面粗糙度及螺紋根部的圓角，避免出現(xiàn)刀痕因應(yīng)力集中造成起始斷裂；三是嚴(yán)格控制熱處理工藝，應(yīng)嚴(yán)格控制淬火溫度，避免溫度過(guò)高。