某型水平定向鉆機保護短接頭斷裂失效分析

閆志霞 李 明 楊 明

（徐州徐工基礎工程機械有限公司，江蘇徐州221000）

0 引言

水平定向鉆機是一種在不開挖地面的情況下，可以鋪設多種地下管道、電纜等的基礎施工機械，它在電力、供水、天然氣、石油等柔性軟線鋪設中起到不可或缺的作用。水平定向鉆動力頭如圖1所示，是水平定向鉆機的主要執行元件之一，旋轉總成主要靠馬達或者馬達減速機驅動齒輪，通過齒輪傳動來實現動力頭主軸的旋轉，保護短接頭是連接短接頭和鉆桿的主要元件，通過旋轉主軸旋轉帶動鉆桿和鉆頭旋轉，完成施工過程的旋轉切削。我公司一臺水平定向鉆機在做整機過載保護實驗時，動力頭保護短接頭出現斷裂，斷裂截面位置如圖2所示。

圖1 水平定向鉆動力頭

圖2 保護短接頭斷裂截面位置

1 分析過程

1.1 動力頭保護短接頭設計要求

材料：42CrMo；熱加工流程：鍛造→正火→調質→螺紋端氮化處理；技術要求：正火晶粒度7 ～9 級，調質硬度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。斷口表面內孔與外圓均有若干撕裂臺階和眾多方向一致的弧形撕裂痕，周圍無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，保護短接頭螺紋斷口端面與軸線大致垂直，沒有塑性變形的痕跡，端口截面呈明顯的粗糙放射性花紋形狀，在整個端口平面上可以看到分布較密的裂紋臺階。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，最后斷裂在內孔。斷裂過程分析：在水平定向鉆動力頭扭矩的作用下，首先在保護短接頭的螺紋根部的某一缺陷點開始起裂，如圖3中的A區，可看到放射線從表面螺紋根部一點向內側及兩側擴展，所以在整個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壁擴展，形成的裂紋如圖3中的B區和D區；實際上B區和D區都是A區裂紋向兩側擴展形成的。所以當B區與D區裂紋匯合不在一個斷裂垂直平面上時，最后撕裂在一個臺階上形成了C區。整個斷裂過程是一次性快速形成的，但是裂紋形成擴展的速度有先后，在A區起裂后，裂紋擴展至整個截面。其中，A、B、D區的放大形貌如圖4所示。

圖4 A、B、D區的放大形貌

從圖4中A、B、D區的放大形貌可看到，圓周表面裂紋比中間細小，由此推斷整個保護短接頭表面和內部組織結構存在差異，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

為了檢測出保護短接頭的螺紋內部組織結構是否存在差異，本文在端面的A區取樣，通過取樣的試樣縱向截面觀察它的顯微組織，根據標準《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標準評級圖顯微檢驗法》（GB/T 10561—2005），采用A法檢測其非金屬夾雜物，對每一類夾雜物按細系和粗系記下與所檢驗面上最惡劣視場相符合的圖片的級別數。非金屬夾雜物結構放大100倍如圖5所示，細系：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，經顯微觀察對比確定為九級精度，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倍時觀察存在明顯的暗區組織，如圖7所示。顯微組織放大500倍觀察如圖8所示，亮區組織為保持馬氏體位向的回火索氏體+角塊狀未溶鐵素體，暗區組織為保持馬氏體位向的回火索氏體+少量鐵素體。按常規制樣方法制樣，經腐蝕后試樣表面出現明顯枝晶狀條帶，如圖9所示。放大200倍觀察其氮化層深度，如圖10所示，經測量大部分區域為0.070 mm，其中白亮層0.003 mm。

圖5 非金屬夾雜物結構放大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 硬度測試

圖9 浸酸低倍晶枝狀組織

圖10 氮化層深度

對此保護短接頭取樣，根據標準《金屬材料布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》（GB 231.1—2018）和《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》（GB 230.1—2018）分別進行布氏和洛氏硬度測試。其中，亮區材料的維氏硬度在HV0.3274，洛氏硬度在HRC26.3，轉化為布氏硬度為HBW261。暗區材料的維氏硬度在HV0.3359，洛氏硬度在HRC36.6，轉化為布氏硬度為HBW342，其硬度值與零件圖紙技術要求中HBW280～320基本吻合。圖紙中氮化層深度要求為0.1～0.15 mm，實測低于0.07 mm部分區域的滲氮層厚度只有0.03 mm，經過精度測試，氮化層取三點測量，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，低于技術要求。從顯微組織觀察結果也可反映出硬度偏低，淬火前的組織成分不均勻。

2 分析結果

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

3 結語

綜上所述，針對動力頭保護短接頭的斷裂問題，需要從鍛造、機加工及熱處理方面，通過多方位深入的分析研究，采取相應的改進措施，主要包括以下三個方面：一是需要嚴格控制制造工藝，確保得到所需要的組織結構，滿足晶粒度及加工精度要求；二是要保證機加工表面粗糙度及螺紋根部的圓角，避免出現刀痕因應力集中造成起始斷裂；三是嚴格控制熱處理工藝，應嚴格控制淬火溫度，避免溫度過高。