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磨鞋失效分析及新型堆焊材料的研究Ξ王新洪邹增大陈兴泉(胜利石油管理局井下作业公司)(山东大学材料学院)摘要应用金相显微镜、扫描电镜、电子探针、显微硬度计和X射线衍射仪等分析检测手段,对8只报废磨鞋做了解剖分析。分析结果表明,因磨鞋工况条件恶劣,其失效形式很复杂,主要表现为堆焊层硬质合金的断裂和脱落,堆焊层的整体脱落,以及由热疲劳、冲击疲劳和高温氧化等因素引起的硬质合金相的过度磨损等。针对磨鞋的失效形式,研制了以YT769和YT535硬质合金为硬质相、Cu2Zn2Ni为胎体的新型堆焊焊条,焊条采用火焰加热堆焊,堆焊层硬质合金相宏观硬度为91～9215HRA,硬质合金与胎体结合良好,堆焊磨鞋的现场应用取得了满意的效果。主题词磨鞋失效分析堆焊材料研究磨鞋是用来铣削井下落物的工具,其表面堆焊一层硬质合金复合强化材料,相当于一个具有多个刀头的切削刀具。当磨鞋堆焊面对着井下的落物旋转磨铣时,有大量的硬质合金颗粒嵌入被铣削的落物中,每颗硬质合金颗粒相当于一个小刀刃。当硬质合金颗粒切削刃被磨钝时,一方面堆焊层的胎体金属受到强烈的冲刷,使硬质合金逐渐露出;另一方面,硬质合金颗粒内的压力和应变增加,使其产生裂纹,沿裂纹面又造成一个新的切削刃。这一过程周而复始,直至全部硬质合金颗粒耗尽为止。笔者将详细分析报废磨鞋的失效原因,探讨提高磨鞋性能,延长使用寿命的途径,并为此研制了磨鞋用新型耐磨堆焊材料。别测试堆焊层中硬质合金及胎体金属的显微硬度。试验初步分析结果表明,其中7个磨鞋堆焊层的硬质相为YG硬质合金,胎体金属的主要成分为Cu2Zn2Ni合金;另外1个磨鞋堆焊层的硬质合金采用铸造碳化钨。样品的主要化学成分及堆焊前后的力学性能见表1。2.工况分析磨鞋在铣削井下落物时,工况十分恶劣。磨鞋以回转方式推进切割,需要承受很大的压力、剪切弯曲力和大扭转力,以及周期性或突发性的冲击载荷的作用,同时还要承受瞬时高温的作用。胜利油田采用金刚石作为磨鞋强化材料的实践表明,磨鞋刀头的使用寿命很低,其失效的主要原因是金刚石被碳化,说明磨鞋刀头在与落物剧烈摩擦的过程中产生大量的摩擦热,使刀头表面产生很高的温度,达到600800℃。这个高温是瞬时的,当刀头接触落物时升温,而在冷却水的作用下刀头的温度迅速降低,因此,不仅引起硬质合金的高温氧化,降低刀头的硬度,而且还会引起热疲劳裂纹。此外,循环冷却液中带有大量的细小的铁屑,对堆焊层具有冲刷作用,形成铁屑对硬质合金的磨粒磨损。磨鞋的失效分析11堆焊层理化性能检测样品来源于胜利油田1998年5月和8月提供的8个报废平底磨鞋。对样品先进行宏观分析,然后用线切割方法取下分析部分,经清洗后,在JXA—840扫描电镜上进行显微组织、磨损形貌以及点成分分析,再采用显微硬度计、洛氏硬度计分Ξ王新洪,讲师,生于1969年,1993年毕业于山东工业大学焊接工艺及设备专业,1997年于该校获金属材料及热处理专业硕士学位,现攻读博士学位,研究方向为焊接冶金、耐磨堆焊材料和计算机模拟等。地址:(250061)山东省济南市。电话:(0531)2955081-2673或2616431。(收稿日期:2000-09-25;修改稿收到日期:2000-12-08)42石油机械2001年第29卷第9期表1磨鞋堆焊层主要化学成分及力学性能硬质合金胎体金属主要力学性能主要化学成分(wt%)显微硬度主要化类型学成分(wt%)抗弯强度(MPa)硬度CuZnNi(HM200)YG8YZ4WC92;Co8WC+W2C150—原始:8990HRA;堆焊层:8689HRAM200原始M;堆焊层M20046604660余量余量898923126523126531焊层硬质合金断裂和脱落磨鞋刀头铣削落物时,在巨大冲击力的作用下,强化层的硬质合金容易脱落,尤其是当堆焊层的强化材料采用铸造WC时,其断齿现象更严重,断齿率在16%以上1。从断口形貌看,断裂主要是以断面平滑的沿晶断裂和河流花样的穿晶解理断裂为主。Spiergler2对硬质合金开裂形式的研究表明,刀头在外力的作用下,产生非均匀的应力场,在硬质合金碳化物相中形成微裂纹。裂纹扩展的第一步是以晶间断和穿晶断的方式在碳化物相中形成连续的裂纹,当裂纹尖端前沿应力达到一局部最大值时,将导致硬质合金粘结相形成微孔,当孔洞聚合时就会发生粘结相的开裂,从而产生硬质合金的断裂失效。此外,在冲击载荷的作用下,局部硬质合金还产生疲劳断裂(见图1)。因此,为提高磨鞋的抗冲击能力,在选择堆焊材料时应尽量采用含Co量较高的硬质合金作为硬质相,即应选用抗弯强度较高的硬质合金。和冲击疲劳而形成的局部剥落;高温氧化。图2胎体金属的磨损形貌×20(1)扩散反应磨鞋中硬质合金的磨损机理基本上与刀具切削时的磨损类似