В данной статье в основном анализируются причины возникновения трещин в матрице алмазного пильного диска и механизм разрушения матрицы алмазного пильного диска из-за дефектов материала матрицы алмазного пильного диска.

 

Трещины, вызванные дефектами основного материала алмазных пильных дисков

 

В настоящее время в качестве основы алмазных пильных дисков в основном используется средне-высокоуглеродистая пружинная сталь. Неметаллические включения, неровная структура, микротрещины и поверхностные дефекты в материалах из средне-высокоуглеродистой пружинной стали могут стать возможными источниками усталостных трещин, вызывающих ранний выход из строя основы пильного полотна. Неметаллические включения, поверхностные дефекты и полосовая сегрегация в средне- и высокоуглеродистой пружинной стали являются основными факторами, влияющими на срок службы матрицы пильного полотна. Поскольку на поверхности матрицы алмазного пильного диска имеются углубления и дефекты, а под поверхностью — плотно распределенные карбидные частицы или полосовая сегрегация, они служат источниками усталости и способствуют усталостному разрушению матрицы пильного диска. Кроме того, из-за низкой вязкости разрушения материала матрица пильного полотна преждевременно подвергается усталостному разрушению.

 

1. Неметаллические включения

 

Неметаллические включения в стали, используемой в качестве основы для алмазных пильных дисков, в основном представляют собой Al2O3, TiN и другие включения, образующиеся в процессе плавки. Их влияние на усталостные характеристики зависит, с одной стороны, от типа, количества, размера, формы и распределения включений; с другой стороны, он ограничен структурой матрицы и свойствами стали пильного полотна и вреден для крупных хрупких включений, имеющих слабую связь с матрицей, а также сферических недеформируемых включений. Причем, чем выше уровень прочности средне- и высокоуглеродистой пружинной стали, тем значительнее вредное влияние включений на предел выносливости.

 

2. Дефекты поверхности

 

Проблемы качества поверхности можно разделить на три основные категории:

 

Во-первых, это очевидные дефекты прокатки, дефекты сгибов и ушек, а также частичные царапины и коробления, которые в основном вызваны устаревшим прокатным оборудованием, отсталыми отделочными мощностями и ненадлежащей корректировкой конструкции отверстий. Кроме того, неправильная шлифовка поверхности заготовки приведет к образованию острых углов, кромок, впадин и царапин, которые легко приведут к образованию дефектов фальцовки после прокатки;

 

Вторая группа – поверхностные трещины, которые распределены по поверхности стали продольно непрерывно или прерывисто. В основном они вызваны остаточными трещинами и подкожными дефектами в заготовке. Напряжение при прокатке и неправильное охлаждение также могут стать причиной появления поверхностных трещин.

 

Третья причина – царапины и отслоения поверхности, что связано с неправильными условиями работы и эксплуатации. Царапины также могут возникнуть во время упаковки и транспортировки. Их существование неизбежно является причиной разрушения материала и может легко привести к его разрушению. Однако люди, как правило, не обращают особого внимания на небольшие локальные дефекты, такие как ямки, царапины, шрамы и выбоины. Хотя их существование допускается стандартами и не станет основной причиной разрушения, области, где они присутствуют, определенно являются слабыми местами материала, и они также станут точками прорыва для трещин, когда общая пластичность материала плохая. Этот фактор часто игнорируется при анализе отказов, поскольку небольшие дефекты были уничтожены во время отказа или конкретное место не было проверено во время отбора проб.

 

3. Полосчатая сегрегация

 

При непрерывном литье для производства средне- и высокоуглеродистых пружинных сталей иногда появляются полосы отрицательной ликвации (белые яркие полосы). Отрицательная сегрегация чаще всего возникает из-за неправильного электромагнитного перемешивания или нестабильного процесса охлаждения. В процессе затвердевания неизбежна селективная кристаллизация. Коэффициент сегрегации углерода в железе К равен 0,13, откуда можно рассчитать, что содержание углерода Cs на стержне дендрита, когда расплавленная сталь с содержанием углерода около 0,55% начинает кристаллизоваться, составляет 0,0715%; под действием электромагнитного перемешивания дендриты будут обрезаны, часть обрезанных дендритов растворится, а оставшиеся дендриты будут постепенно вращаться в окрестности центра перемешивающим вихрем, образуя кристаллический зародыш, так что часть расплавленной стали сначала затвердеет, образуя отрицательную сегрегацию; С другой стороны, в процессе непрерывного литья невозможно полностью устранить центральную пористость и ликвацию, поскольку в процессе затвердевания непрерывнолитой заготовки всегда наблюдается периодическое явление образования мостиков дендритов, а в точке образования мостиков за счет преимущественной кристаллизации также образуется отрицательная ликвация.

 

Зоны отрицательной сегрегации проявляются в виде ярких белых линий на серных отпечатках и выщелоченных кислотой образцах для испытаний при малом увеличении из-за низкого содержания углерода и могут сохраняться после горячей обработки. Из-за деформации после горячей обработки на поперечном сечении появляется узкая белая яркая полоска. Для пружинной стали с полосчатой ​​ликвацией при закалочном нагреве в области аустенитной фазы окружающие атомы углерода полосчатого феррита будут диффундировать внутрь, но из-за короткого времени нагрева и выдержки, а также тормозящего влияния сегрегации Si и S на атомы углерода концентрация атомов углерода в исходном отрицательно ликвированном полосчатом феррите все еще ниже, чем содержание углерода в окружающих тканях. После закалки полосчатая ликвационная структура образует мартенситную структуру с содержанием углерода ниже, чем в окружающей структуре, а после отпуска образуется белая ярко-полосчатая отпущенная трооститная структура с содержанием углерода ниже, чем в окружающей структуре.

 

Наличие полосовой сегрегации в сырье серьезно повлияет на усталостную долговечность стали, используемой в качестве основы алмазного пильного диска. Это связано с тем, что при циклической нагрузке свободная полосчатая структура в матричной стали алмазного пильного диска имеет относительно низкую прочность и может легко стать источником усталостных трещин. Когда трещины под действием внешней силы расширяются до определенной степени, матрица пильного диска выходит из строя.

 

С другой стороны, сегрегация полос приводит к тому, что зерна в полосе с низким содержанием легирования легко укрупняются во время нагрева, образуя крупные зерна; Наличие большого количества мелких легированных карбидов в ленте с высоким содержанием легирования препятствует росту зерен и получению мелких зерен. Во время закалочного нагрева атомы углерода вокруг полосчатого феррита диффундируют в полосу, но из-за низкой температуры нагрева и короткого времени нагрева в сочетании с препятствием со стороны источников Si аустенит в исходной зоне сегрегации феррита и окружающие его атомы углерода не могут достичь однородности, что приводит к различным мартенситным превращениям после закалки, вызывая большое организационное напряжение между полосами.

 

Исследование показало, что организационное напряжение во время мартенситного фазового превращения тесно связано с размером зерна, а крупные зерна увеличивают тенденцию к образованию закалочных трещин; В то же время в процессе закалки неметаллические включения сегрегируются по границам зерен в полосчатом распределении. Этот тип материала включений мягкий и имеет слабую прочность связи с матрицей, что нарушает целостность матрицы пильного полотна, что приводит к ослаблению границ зерен крупных зерен и плохой координации деформации, вызывая концентрацию напряжений на границах зерен. Поэтому под действием напряжений хрупкая фаза и полосовые включения становятся очагами трещин, способствуя образованию и быстрому расширению закалочных трещин. Когда они расширяются до близости к продольной центральной линии, деформация ограничивается, тем самым сбрасывая напряжение в виде трещин и вызывая образование закалочных трещин.