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                资深专家谈聚丙烯挤压应用挤压机切刀断裂原因分析及对策

                [ 发布日期:2014-3-31 21:45:37 ] 【打印此文】 【关闭窗口】
                挤压混炼机组是关键设备,由日本神ω户 制钢设计生产,自1998年投产来已运行13年。该 机组主机额定功率6400kw,设计生产能力33t/h。 该设备由主驱动机构、同步齿轮挤压混炼机构、 齿轮泵及冷却切粒机等组成。
                在对M401切刀使☉用情况统计中,发现除个别 情况外,切刀平均使用寿命约27天,且切刀多次 发生断裂现象。因此,解决切刀↑断裂问题并提高 切刀的使用寿命,成为该设备管理的突破点。
                1 切刀断裂原因分析
                聚丙烯挤压造粒机使用的金属陶〖瓷刀具以 3Cr13马氏体不锈钢为基体,以镍铬基TiC金属陶 瓷为刀刃,基体和刀刃采用1370℃真空扩散焊焊 接,并随之进行随炉冷却而成。
                1.1断裂源
                从断口的宏观低∑ 倍形貌看,基体3Cr13的断裂 源位于图1中A位置。因为位置A是刀具在切削过 程中受弯曲拉应力最大处。
                对镍铬基TiC金属陶瓷的断口表面形貌进行宏 观观察☆发现,其断裂源位于刀尖下方一定距离位 置B处,如图1所示。在扫描电镜下▼对位置B处进行 更清晰的观察,表明断裂源在刀具表面以下而不 是发生〖在刀具表面。同时,还发现镍铬基TiC金属 陶瓷断裂源处存在着严重的未烧结缺陷,如图2所 示。
                1.2 基体3Cr13微观结构缺陷
                1.2.1 原始态金相组织
                从刀具断口的低倍宏观形貌发现,基体3Cr13 的晶粒极为粗大,断口为典型的沿晶断裂。对其 进行显微金相观察,如图3所示,其晶粒极为粗 大,沿着原奥氏体晶界有大量网状析出相。依据 图5所示的Fe-Cr-C三元相图,这些析出相应为Fe以
                碳化物Cr23C6和Cr7C3为基的固溶体。粗大的【晶粒 和沿晶界网状析出的碳化物导致材料性能极√差。 图5中C1和C2是以 Cr7C3和Cr23C6为基础、 溶有Fe原子的碳化物,C3是以Fe3C 为基础溶有Cr 原子的合金渗碳体。
                1.2.2 碳化物呈网状分布的原因
                刀具在1370℃下进行扩散焊,随后进行随炉 冷却,是造成基体晶粒粗大和碳化物呈网状分布 的原因。扩散■焊时温度极高,此时Cr的碳化物全 部溶解,没有可以阻碍奥氏体晶粒生长的因素, 所以晶粒会发生异常长大;在随后的冷却过程 中,又采取了随炉缓冷,使得基体中的碳化物有 充足的时间和温度条件析出在原奥氏体晶界。因 此,不良的热处理工艺是造成组织缺陷的主要原 因。
                1.3 基体3Cr13的断口形貌
                用扫描电镜观察基体3Cr13的断口形貌, 为典型的沿晶断裂形貌。对断裂形貌进 行更细致的观察发现,裂纹沿晶界处的碳化物扩 展,图中清晰地显示了裂纹在晶界上的扩展及其 扩展断开时留下的表面浮凸,如图中A处所示。同 时还可看到裂¤纹在扩展过程中遇到晶界上碳化物 阻碍,并使碳化物破裂,再以解理的方式扩展, 如图中B处所示。因此,结合基体3Cr13的金相组 织,可以得出,沿原奥氏体晶界呈网状分布的碳 化物是◥造成基体3Cr13发生沿晶断裂的主要原因, 应当采取措施消除在晶界上析出的碳化物。
                1.4 导致切刀断裂的原因
                1.4.1 不合理的热处理工艺(扩散焊后随炉缓冷) 造◥成了刀具基体3Cr13的显微组织晶粒粗大、碳化 物呈网状分布,因而其性能极差,在使用的过程 中出现沿晶脆性断裂。
                1.4.2 镍铬基金属TiC陶瓷存在着严重的未烧结缺 陷,这些缺陷成为刀刃的断裂源。
                1.4.3 刀具明显经历了两次断裂,倾向于3Cr13基 体先发生断裂,然后镍铬基金属TiC陶瓷刀刃发生 断裂。因为首先基体中碳化物的分布导致性能太 差,相比镍铬基金属TiC陶瓷刀刃更容易发生断 裂;其次,镍铬基金属TiC陶瓷刀刃的断裂源位置 B在工作中受压应力,不是在切削的过程中受力最 苛刻的位置;再次,基体发生断裂后,由于断口 处部分基体金属脱落,断口两侧不能完好重合, 因而在下一轮切削时,会在镍铬基金属TiC陶瓷刀 刃上产生★拉应力,而使其从位『置B处断裂。
                2 切刀刀刃钝化原因分析
                2.1 由于频繁改变产品牌号,导致切刀频繁变换切 削软硬不〓同的PP,在交变应力的反复作用下,刀 刃处产生钝化。
                2.2 在切刀切粒过程中,刀刃与物料的接触形成的 磨损是主要因素。在实际〓工作中,模板造粒带与 切粒刀不是直接接触。物料←被切断的过程是:当 物料表面瞬间固化后,刀刃与出料口对物料某段 产生挤压应力,物料开始产生弹性和塑性变形并 放热,尤其是与刃口接触处受剧烈挤压摩擦发热融 化。当塑性变形加大到超过屈服极╲限时,塑料间的 拉应力消失,塑料被切断。融化的部分塑料以薄膜 的形式粘贴到刀的刃口和模板的出料口上,当多次 反复粘贴,切粒刀刃口和模板出料口处积累出积削 瘤,当积削瘤长到一定程度时,被水流和后序物料 刮掉。在积削瘤脱落的同时刀刃和模板刃口处的材 料也被粘卐下一点。无数次的粘贴及脱落,刀具刃口 和模板造粒带产生磨损。刃口钝化不锋利,切粒质 量开※始下降,尾料随之增加。
                3 解决措施
                3.1 重新热处理,消除组织缺陷↘ 为消除在晶界上呈网状析出的碳化物,使 之∏溶入到基体中,抑制碳化物在原奥氏体晶界析 出,对刀具进行了重新固溶处理,并随后在250℃ 回火2h。热处理工艺如下:
                (1)固溶温度:因Cr23C6在1000℃以上才能 重新溶解,3Cr13的固溶温度Ψ 选为1100℃。
                (2)固溶时间:为使碳化物充分均匀化,又 不致晶粒过分长大,分别选取了30、60、
                90min三 种固溶▃时间,以找到最合适的固溶时间。 (3)冷却方式:分别采取两种冷却方式进行 冷却:油冷和空冷,以便找到一种更适合工厂批 量处理∞的冷却方式。
                (4)回火温度及时间:采用200~300℃的低 温回火,2~4h。选择250℃回火,时间2h。
                3.2 为了搞清热处理制度对刀具是否切实可行,即 在该热处理工艺下刀具与镍铬基金属TiC陶瓷刀刃 间不ζ 能发生开裂,且刀具不发生变形,将成品刀 具随炉进行了热处理,并采用了油淬处理。热处 理时刀具垂直没入油中,结果表明,刀具在这种◇ 热处理制度下不会发生变形和开裂。该热处理制 度在工艺上是可行的。
                3.3总结操作︽经验,摸索出切实可行的操作方法。 如:视情况修改程序延长自动进刀周期;开车 时,先出料再通pcw,其中的时间间隔是否还可 适当延∩长等。借鉴同类企业经验,试用具有耐高 温、耐水冲淋、耐重载及高附着性的切刀特种润 滑脂FS3452。润滑脂FS3452具有如下特性:低蒸 发性,高耐氧化性,工作温度范围宽:-30℃— 230℃,良好的耐水性和耐水冲洗性,耐大多数溶 剂和化学品,可用于多种塑料和橡胶