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    聚丙烯擠壓造粒機切刀斷裂原因分析及對策

        M401擠壓混煉機組是關鍵設備,由日本神戶 制鋼設計生產,自1998年投產來已運行13年。該 機組主機額定功率6400kw,設計生產能力33t/h。 該設備由主驅動機構、同步齒輪擠壓混煉機構、 齒輪泵及冷卻切粒機等組成。
    在對M401切刀使用情況統計中,發現除個別 情況外,切刀平均使用壽命約27天,且切刀多次 發生斷裂現象。因此,解決切刀斷裂問題并提高切刀的使用壽命,成為該設備管理的突破點。
    1 切刀斷裂原因分析
    聚丙烯擠壓造粒機使用的金屬陶瓷刀具以3Cr13馬氏體不銹鋼為基體,以鎳鉻基TiC金屬陶 瓷為刀刃,基體和刀刃采用1370℃真空擴散焊焊接,并隨之進行隨爐冷卻而成。
    1.1斷裂源
    從斷口的宏觀低倍形貌看,基體3Cr13的斷裂 源位于A位置。因為位置A是刀具在切削過 程中受彎曲拉應力最大處。
    對鎳鉻基TiC金屬陶瓷的斷口表面形貌進行宏 觀觀察發現,其斷裂源位于刀尖下方一定距離位 置B處,如圖1所示。在掃描電鏡下對位置B處進行 更清晰的觀察,表明斷裂源在刀具表面以下而不 是發生在刀具表面。同時,還發現鎳鉻基TiC金屬 陶瓷斷裂源處存在著嚴重的未燒結缺陷
    1.2 基體3Cr13微觀結構缺陷
    1.2.1 原始態金相組織
    從刀具斷口的低倍宏觀形貌發現,基體3Cr13 的晶粒極為粗大,斷口為典型的沿晶斷裂。對其 進行顯微金相觀察,如圖3所示,其晶粒極為粗 大,沿著原奧氏體晶界有大量網狀析出相。依據 圖5所示的Fe-Cr-C三元相圖,這些析出相應為Fe以 碳化物Cr23C6和Cr7C3為基的固溶體。粗大的晶粒 和沿晶界網狀析出的碳化物導致材料性能極差。 圖5中C1和C2是以 Cr7C3和Cr23C6為基礎、 溶有Fe原子的碳化物,C3是以Fe3C 為基礎溶有Cr 原子的合金滲碳體。

    1.2.2 碳化物呈網狀分布的原因刀具在1370℃下進行擴散焊,隨后進行隨爐冷卻,是造成基體晶粒粗大和碳化物呈網狀分布 的原因。擴散焊時溫度極高,此時Cr的碳化物全 部溶解,沒有可以阻礙奧氏體晶粒生長的因素, 所以晶粒會發生異常長大;在隨后的冷卻過程中,又采取了隨爐緩冷,使得基體中的碳化物有 充足的時間和溫度條件析出在原奧氏體晶界。因 此,不良的熱處理工藝是造成組織缺陷的主要原 因。
    1.3 基體3Cr13的斷口形貌
    用掃描電鏡觀察基體3Cr13的斷口形貌,為典型的沿晶斷裂形貌。對斷裂形貌進 行更細致的觀察發現,裂紋沿晶界處的碳化物擴 展,圖中清晰地顯示了裂紋在晶界上的擴展及其擴展斷開時留下的表面浮凸。同 時還可看到裂紋在擴展過程中遇到晶界上碳化物 阻礙,并使碳化物破裂,再以解理的方式擴展, 如圖中B處所示。因此,結合基體3Cr13的金相組 織,可以得出,沿原奧氏體晶界呈網狀分布的碳 化物是造成基體3Cr13發生沿晶斷裂的主要原因, 應當采取措施消除在晶界上析出的碳化物。
    1.4 導致切刀斷裂的原因
    1.4.1 不合理的熱處理工藝(擴散焊后隨爐緩冷) 造成了刀具基體3Cr13的顯微組織晶粒粗大、碳化 物呈網狀分布,因而其性能極差,在使用的過程 中出現沿晶脆性斷裂。
    1.4.2 鎳鉻基金屬TiC陶瓷存在著嚴重的未燒結缺陷,這些缺陷成為刀刃的斷裂源。
    1.4.3 刀具明顯經歷了兩次斷裂,傾向于3Cr13基 體先發生斷裂,然后鎳鉻基金屬TiC陶瓷刀刃發生 斷裂。因為首先基體中碳化物的分布導致性能太 差,相比鎳鉻基金屬TiC陶瓷刀刃更容易發生斷 裂;其次,鎳鉻基金屬TiC陶瓷刀刃的斷裂源位置 B在工作中受壓應力,不是在切削的過程中受力最 苛刻的位置;再次,基體發生斷裂后,由于斷口 處部分基體金屬脫落,斷口兩側不能完好重合, 因而在下一輪切削時,會在鎳鉻基金屬TiC陶瓷刀 刃上產生拉應力,而使其從位置B處斷裂。
    2 切刀刀刃鈍化原因分析
    2.1 由于頻繁改變產品牌號,導致切刀頻繁變換切 削軟硬不同的PP,在交變應力的反復作用下,刀 刃處產生鈍化。
    2.2 在切刀切粒過程中,刀刃與物料的接觸形成的 磨損是主要因素。在實際工作中,模板造粒帶與 切粒刀不是直接接觸。物料被切斷的過程是:當 物料表面瞬間固化后,刀刃與出料口對物料某段 產生擠壓應力,物料開始產生彈性和塑性變形并 放熱,尤其是與刃口接觸處受劇烈擠壓摩擦發熱融 化。當塑性變形加大到超過屈服極限時,塑料間的 拉應力消失,塑料被切斷。融化的部分塑料以薄膜 的形式粘貼到刀的刃口和模板的出料口上,當多次 反復粘貼,切粒刀刃口和模板出料口處積累出積削 瘤,當積削瘤長到一定程度時,被水流和后序物料 刮掉。在積削瘤脫落的同時刀刃和模板刃口處的材 料也被粘下一點。無數次的粘貼及脫落,刀具刃口 和模板造粒帶產生磨損。刃口鈍化不鋒利,切粒質 量開始下降,尾料隨之增加。
    3 解決措施
    3.1 重新熱處理,消除組織缺陷 為消除在晶界上呈網狀析出的碳化物,使 之溶入到基體中,抑制碳化物在原奧氏體晶界析 出,對刀具進行了重新固溶處理,并隨后在250℃ 回火2h。熱處理工藝如下:
    (1)固溶溫度:因Cr23C6在1000℃以上才能 重新溶解,3Cr13的固溶溫度選為1100℃。
    (2)固溶時間:為使碳化物充分均勻化,又不致晶粒過分長大,分別選取了30、60、90min三 種固溶時間,以找到最合適的固溶時間。
    (3)冷卻方式:分別采取兩種冷卻方式進行 冷卻:油冷和空冷,以便找到一種更適合工廠批 量處理的冷卻方式。
    (4)回火溫度及時間:采用200~300℃的低 溫回火,2~4h。選擇250℃回火,時間2h。 3.2 為了搞清熱處理制度對刀具是否切實可行,即在該熱處理工藝下刀具與鎳鉻基金屬TiC陶瓷刀刃 間不能發生開裂,且刀具不發生變形,將成品刀 具隨爐進行了熱處理,并采用了油淬處理。熱處理時刀具垂直沒入油中,結果表明,刀具在這種 熱處理制度下不會發生變形和開裂。該熱處理制 度在工藝上是可行的。
    3.3總結操作經驗,摸索出切實可行的操作方法。 如:視情況修改程序延長自動進刀周期;開車 時,先出料再通pcw,其中的時間間隔是否還可適當延長等。借鑒同類企業經驗,試用具有耐高 溫、耐水沖淋、耐重載及高附著性的切刀特種潤 滑脂FS3452。潤滑脂FS3452具有如下特性:低蒸 發性,高耐氧化性,工作溫度范圍寬:-30℃— 230℃,良好的耐水性和耐水沖洗性,耐大多數溶 劑和化學品,可用于多種塑料和橡膠。

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