スリーブカップリングの亀裂破損の解析と改善対策
私の意見:
油圧式削岩機用4Cr5Mo2Vドリルビットスリーブ（スリーブカップリング）は、使用開始から10日後に割れました。4Cr5Mo2Vドリルビットスリーブの割れの原因を、破壊形態観察、化学成分分析、機械的性質、金属組織試験により分析しました。結果は、スリーブカップリングの材質と性能が標準要件を満たしており、ドリルビットスリーブの割れの原因は、表面レーザー彫刻部の応力集中による疲労破壊であることを示しています。衝撃力を受けると、ドリルビットスリーブの端部に変形層が現れ、加工硬化により硬度が上昇し、割れが発生しやすくなります。レーザー彫刻による欠陥を避け、ドリルビットスリーブ表面の応力集中を軽減し、ドリルビットスリーブの耐用年数を延ばすために、印刷マーキングを使用することをお勧めします。
導入
油圧式岩盤掘削装置は、掘削と発破法を用いて鉱山、トンネル、地下プロジェクトで使用される先進的な岩盤掘削装置です。掘削技術の機械化と自動化を実現し、建設作業員を過酷な条件と重労働での岩盤掘削作業から解放し、作業効率を向上させ、汚染を減らします。シャンクアダプタスリーブは、油圧式岩盤ドリルのバッファ機構の重要な部品の1つです。シャンクアダプタスリーブの主な機能は、シャンクアダプタとバッファピストンの間で制限的な役割を果たすことです。同時に、高周波衝撃下でのバッファピストンの寿命を延ばします。シャンクアダプタスリーブは、反発エネルギーをバッファピストンに伝達し、バッファピストンが戻るときにシャンクアダプタを押してリセットします。周期的な衝撃力の影響により、シャンクアダプタスリーブの一般的な故障形態は崩壊です。
あるブランドの削岩機の4Cr5Mo2Vシャンクアダプタスリーブは、加工中に炉制御雰囲気で1010℃に加熱され、油焼入れ後に550℃で2回焼き戻しされます。技術要件は、硬度が52HRC以上であることです。シャンクアダプタスリーブは、使用後10日で割れました。従来のシャンクアダプタスリーブの崩壊破壊モードとは異なり、シャンクアダプタスリーブは最終的に割れて崩壊しました。シャンクアダプタスリーブの破損のマクロおよびミクロ形態、シャンクアダプタスリーブの化学成分、硬度、衝撃性能、介在物、金属組織を検査することにより、シャンクアダプタスリーブの割れの原因を分析し、シャンクアダプタスリーブの熱処理プロセスをさらに改善し、油圧削岩機の寿命を向上させるための理論的根拠を提供します。
1 実験プロセスと結果
1.1 ドリルビットスリーブのマクロ形態の分析
図1は、破損した削岩機用ドリルスリーブの側面と端部の形態を示しています。図から、ドリルスリーブには軸方向に貫通する亀裂があり、中央の刻印線を通過して矢印の方向に沿ってドリルスリーブの端部まで伸びていることがわかります。亀裂のもう一方の端は、ドリルスリーブの端部の溝の根元です。サンプルはドリルスリーブの軸に沿って切断され、ドリルスリーブの亀裂の破壊形態が観察されました。同時に、ドリルスリーブの材料組成、硬度、衝撃吸収エネルギー、介在物、微細構造がテストされ、分析されました。
図2は、ドリルビットスリーブの破損のマクロ形態を示しています。図から、破損は主にA、B、C、Dの4つの領域に分かれていることがわかります。領域Aは比較的平坦で滑らかで、内部に円弧と放射状線があります。円弧と放射状の線の方向によると、図2の1でマークされた楕円形の領域が亀裂の発生源であることがわかります。領域Bは変動が大きく、表面は比較的滑らかで、内部に円弧と放射状線があります。円弧と放射状の線の方向によると、領域Bは図2の2でマークされた楕円形の領域に由来すると推測できます。領域Cは比較的平坦で滑らかで、内部に多数の放射状線があります。放射状の線の方向によると、領域Cはこの領域の左側に由来していることがわかります。領域Dは変動が大きく、左側は比較的滑らかで、右側は比較的粗いです。 D領域の形態特性から、D領域の左側はこの領域の左側にあるC領域から発生し、右側はシャンクアダプタスリーブの表面から発生していることがわかります。 以前の分析によると、シャンクアダプタスリーブの亀裂は図2の楕円形領域1から発生しています。 図1の破損したシャンクアダプタスリーブの側面形態と比較すると、この場所はシャンクアダプタスリーブの外表面にある左矢印線の交点であることがわかります。
1.2 破壊の顕微鏡観察
図2の破壊の各領域は、走査型電子顕微鏡（検索エンジン最適化）で観察されました。図3は、亀裂発生源領域の低倍率および高倍率SEM画像です。図から、この領域は微視的に比較的平坦であり、表面には明らかな塑性変形があり、破壊が形成された後に互いに圧迫されていることがわかります。図4は、亀裂拡張ゾーンの低倍率および高倍率SEM画像を示しています。図から、その特徴は亀裂発生源領域と似ていることがわかります。破壊が形成された後、相互押し出しにより塑性変形が発生します。2つの領域を比較すると、亀裂発生源領域の形成が早く、破壊の押し出しと摩擦回数が多いため、破壊の塑性変形がより深刻です。
1.3 シャンクアダプタスリーブの化学組成分析
シャンクアダプタスリーブの化学組成をスペクトルでテストしたところ、シャンクアダプタスリーブの材質がGB/T1299-2014 "工具鋼"規格の4Cr5Mo2V鋼組成要件を満たしていることがわかりました。
1.4 シャンクアダプタスリーブの機械的特性試験
シャンクアダプタスリーブの軸に沿ってサンプルを採取し、イギリス/T229-2020規格に従って衝撃機械特性試験を実施しました。シャンクアダプタスリーブ材料のKU2値は28.7Jです。
1.5 介在物と金属組織分析
ドリル ビット スリーブ材料の介在物を光学顕微鏡で観察しました。標準 イギリス/T10561-2005「鋼鉄中の非金属介在物の判定のための標準評価表顕微鏡検査方法」によれば、ドリル ビット スリーブの非金属介在物は A0、B0、C0、D0.5、DS0.5 と評価できます。
図7～9はドリルスリーブの端面、外面、コアの微細構造図である。図から、ドリルスリーブの各領域の微細構造は、焼き入れされたトルースタイト+炭化物であることが分かる。ドリルスリーブの端面には、ドリルビットとの相互作用によって形成された変形層がある（図7の白く明るい部分）。加工硬化効果により、ドリルスリーブの端面の硬度はわずかに高くなっている。ドリルスリーブのコアの微細構造の下にある白く明るい層は、ワイヤー切断プロセス中に形成された酸化層である。
2 結果分析
4Cr5Mo2V鋼はH13鋼の化学組成に基づいており、シリコン含有量を減らし、V含有量を増やすことで製錬されています。優れた焼入れ性、耐熱強度、耐摩耗性を備えており、ダイカスト金型、ホットスタンピング金型、熱間鍛造金型に広く使用されています。合金中のMo元素は、過冷却オーステナイトの安定性を改善することで鋼の焼入れ性を向上させます。同時に、Moは強力な炭化物形成元素であり、鋼の硬度、強度、耐摩耗性を向上させ、鋼の靭性と焼戻し安定性を高めることができます。焼戻しプロセス中に、固体溶解バナジウムはV（C、N）化合物の形で沈殿し、析出強化と二次硬化の役割を果たして、鋼の高温靭性と焼戻し安定性を高めます。焼鈍、焼入れ、焼戻し熱処理後、鋼の硬度は52HRC以上、衝撃吸収エネルギーは28.7Jに達し、表面耐摩耗性とコア靭性が良好です。使用中、シャンクアダプタスリーブは周期的な衝撃に耐えることができ、疲労寿命が良好です。取り付けとマッチングの必要性から、シャンクアダプタスリーブの外面にはレーザー線が刻まれています。矢印線の交差点には応力集中があり、疲労源を形成し、シャンクアダプタスリーブは疲労破壊を起こします。亀裂は衝撃力を受けて拡大し続け、シャンクアダプタスリーブに貫通亀裂を形成します。衝撃を受けると、形成された亀裂の両端面が擦れ合って圧迫され、破断面の微視的形態は塑性変形を示します。シャンクアダプタとバッファピストンの衝撃力により、シャンクアダプタスリーブの端部に変形層が現れます。加工硬化効果により、シャンクアダプタスリーブの先端部の硬度が上昇し、長期使用時に割れやすくなります。
シャンクアダプタスリーブの作業環境と故障形態に応じて、ラインマーキングによるシャンクアダプタスリーブの表面の損傷を回避し、シャンクアダプタスリーブに応力集中や疲労亀裂が発生するのを防ぐために、シャンクアダプタスリーブのマーキングは印刷モードを採用することをお勧めします。
3 結論
シャンクアダプタスリーブの破損のマクロおよびミクロ形態、材料の化学成分、硬度、衝撃性能、介在物、金属組織を検査および分析した結果、シャンクアダプタスリーブの割れの主な原因は、表面レーザーラインでの応力集中による疲労破壊であることがわかりました。シャンクアダプタスリーブの端部は衝撃力下で変形層を形成し、加工硬化により端部の硬度が上昇し、使用中に割れや破損が発生しやすくなります。シャンクアダプタスリーブの表面の応力集中を軽減し、シャンクアダプタスリーブの耐用年数を延ばすために、印刷マーキングとレーザーマーキングによる欠陥形成を使用することをお勧めします。
