Abstracto:Al analizar los índices técnicos clave para el rodillo de la máquina de escudo extraño, como la composición química, la dureza y la microestructura, se proporciona el soporte técnico para la nacionalización de la máquina del huso para la máquina de escudo, lo cual es de gran importancia．
Palabras clave:rodamiento de rodamiento; Máquina de escudo; microestructura
El cojinete principal de la máquina de escudo es un componente clave de la máquina de escudo, que se utiliza en el sistema Shield Cutterhead. Su vida útil y confiabilidad afectan directamente la seguridad de la construcción de la máquina de escudo. En la actualidad, el principal mercado de rumbo de las máquinas de túneles de escudo en China está completamente monopolizado por países extranjeros. Para lograr la localización de la tecnología de túneles de escudo, es necesario desarrollar y fabricar de forma independiente los principales rodamientos de máquinas de túneles de escudo. Debido al entorno de trabajo duro y la compleja capacidad de carga del eje principal de las máquinas de túnel de escudo, deben soportar cargas combinadas como fuerza axial, fuerza radial, momento de volcado, etc. cuando trabajan en condiciones de carga pesadas y variables. El rendimiento, la confiabilidad y la vida útil de los rodillos son factores clave que determinan la vida útil y la confiabilidad de los rodamientos principales de la máquina de escudo. Por lo tanto, comprender y dominar los materiales y la calidad del tratamiento térmico de los rodillos principales de cojinetes de la máquina de escudo empresarial extranjero avanzado es de gran importancia para la localización de los cojinetes principales de la máquina de escudo.
1. Análisis químico
La composición química de las principales muestras de rodillos de cojinete de máquinas de túneles de escudo en el hogar y en el extranjero se probó utilizando el espectrómetro de lectura directa Swiss ARL 4460. Los resultados se muestran en la Tabla 1. El material del rodillo en China es GCR18MO, y los valores estándar en la tabla son los requisitos de GB\/T 18254-2002. Según la tabla, el contenido de los elementos C, Cr, Si, Trace y los elementos de impurezas en el material de rodillo principal de las máquinas de escudo extrañas es similar a GCR18MO, pero el contenido de los elementos MN y Mo es relativamente alto. Por lo tanto, se puede determinar que el material utilizado para el rodillo de cojinete principal de las máquinas de escudo extrañas pertenece al acero de cojinete de cromo de alto carbono GCR18MO.
Debido al complejo estrés en los rodillos principales de las máquinas de túnel de escudo y al tamaño relativamente grande del rodillo ( 100 mm × 100 mm), para cumplir con las condiciones de servicio, el núcleo de los rodillos también debe tener alta resistencia. Por lo tanto, se requiere que el material tenga alta enduribilidad. El aumento en el contenido de MN en el material de los principales rodillos de cojinetes de máquinas de túneles de escudo extrañas está dirigido principalmente a mejorar la enduribilidad del acero y el fortalecimiento de la matriz; Aumentar adecuadamente el contenido del elemento MO no solo puede mejorar la enduribilidad, sino que también superar el problema de la fragilidad de temple causado por el aumento del contenido del elemento MN.
2. Análisis metalográfico
3. El microscopio óptico Olympus GX51 se usó para realizar pruebas de estructura metalográfica en los rodillos principales de las máquinas de túneles de escudo extrañas. Las estructuras metalográficas de la superficie y el núcleo se muestran en la Figura 1 y la Figura 2, respectivamente. El grabado utilizado es una solución de alcohol de ácido nítrico al 4%.
Figura 1 Estructura metalográfica de superficie
Figura 2 Estructura metalográfica del corazón
Comparando la Figura 1 y la Figura 2, se puede ver claramente que hay una gran cantidad de carburos no disueltos (puntos brillantes blancos en la figura) y martensita (áreas gris oscuro) en el tejido cardíaco. La razón de la aparición de carburos no disueltos es que bajo el mismo tiempo de aislamiento de enfriamiento y calentamiento, el tiempo de aislamiento equivalente del núcleo es más corto que el de la superficie, y la austenitización no es suficiente, lo que resulta en una gran cantidad de carburos que no se disuelven en austenita. La razón de la aparición de la estructura de Bainita se debe al gran tamaño del rodillo, y bajo las mismas condiciones de enfriamiento, el núcleo no obtuvo la velocidad de enfriamiento requerida para la bainita.
El propósito de realizar un análisis metalográfico en la muestra es determinar si la microestructura de los principales rodillos de rodamiento de máquinas de túnel de escudo extrañas es martensita, banita inferior o una estructura compuesta de ambos, para determinar sus métodos y parámetros de proceso de tratamiento térmico. En la fase de oro de bajo aumento, las estructuras similares a la aguja negra que se pueden ver claramente son en su mayoría banita inferior. La banita inferior es una mezcla mecánica compuesta de ferrita de lámina sobresaturada de carbono y carburos precipitados internamente. GCR18MO pertenece a acero alto en carbono, y la microestructura obtenida después del enfriamiento es martensita en forma de lámina (aguja como martensita). Por lo tanto, bajo un microscopio metalográfico, la microestructura de la banita inferior es extremadamente similar a la de la martensita alta en carbono. Solo realizando una observación en profundidad y análisis de su microestructura a través de un microscopio electrónico se pueden hacer juicios precisos.
3. Análisis de microscopía electrónica de transmisión
Las principales muestras de rodillos de rodamiento de máquinas de túnel de escudo extrañas se analizaron utilizando un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución de 21 {3}} 0 de alta resolución, y las ubicaciones de muestreo se muestran en la Figura 3. El tamaño de la muestra es 0.5 mm × 10 mm × 10 mm. El grosor de la muestra está molido a 200-500 nm usando el método de adelgazamiento de iones, y luego se analiza mediante microscopía electrónica de transmisión.
Figura 3 Diagrama esquemático de la ubicación de muestreo
La observación preliminar muestra que las muestras se caracterizan principalmente por la banita inferior. Hay pequeños carburos en los fideos planos y algunos martensitas sin carburos. Los resultados estadísticos muestran que hay alrededor del 80% ~ 90% de bainita más baja, una pequeña cantidad de carbidas grandes de martensita y grandes no disueltos. Las imágenes de microscopio electrónico de transmisión se muestran en las figuras 4-6.
Figura 4 Características de Bainita
Figura 5 Características de Bainita y carburos no disueltos
A través del análisis de microscopía electrónica de transmisión, se puede ver que durante el enfriamiento isotérmico de los principales rodillos de cojinete de máquinas de túnel de escudo extrañas, para mejorar la resistencia y la dureza de los rodillos y, por lo tanto, mejorar su capacidad de carga, se adopta el método para ajustar el proceso de enfriamiento isotérmico. Después del enfriamiento, la estructura resultante no es una estructura banita única, sino una estructura compuesta compuesta principalmente de bainita y que contiene una pequeña cantidad de martensita. Esta estructura compuesta no solo tiene alta resistencia y dureza, sino que también tiene una buena resistencia al impacto, que puede cumplir con las duras condiciones de servicio de los cojinetes principales de la máquina de escudo.
Figura 6: Características de Bainite y Martensite
Después de determinar la composición del material, el contenido relativo de bainita y martensita se puede ajustar ajustando los parámetros del proceso de enfriamiento isotérmico. Los principales factores que afectan el contenido de la bainita son:
(1) Temperatura de calentamiento: cuanto mayor sea la temperatura de calentamiento, más estable es la austenita y mayor es el contenido de austenita residual y menor es el contenido de bainita después del enfriamiento isotérmico.
(2) Bajo el mismo tiempo isotérmico, cuanto menor sea la temperatura isotérmica, más lenta es la tasa de transformación de la bainita, mayor es el contenido de austenita residual y menor es el contenido de la bainita.
(3) A la misma temperatura isotérmica, cuanto más corto sea el tiempo isotérmico, menos completa es la transformación de la bainita, menor es el contenido de la bainita y mayor es el contenido de la martensita. Entre los factores que afectan la transformación de la bainita, ajustar la temperatura de calentamiento y la temperatura isotérmica traerá muchos factores desfavorables, por lo tanto, el rango de ajuste de ambos es muy pequeño. Durante el enfriamiento isotérmico, el contenido relativo de la bainita y la martensita se puede ajustar reduciendo el tiempo isotérmico, de modo que la transformación de la bainita es incompleta, y la austenita restante puede transformarse en martensita, aumentando así el contenido de la martensita y mejorando la fuerza y la dureza del rodillo.
4. Inspección de dureza
Para comprender la dureza y la distribución de los principales rodillos de cojinetes de máquinas de túneles de escudo extrañas, se realizaron pruebas de dureza en las caras del extremo de los rodillos desde la superficie hasta el interior, con un total de 8 puntos probados. Luego, corte el rodillo a lo largo de la 1\/2 de su longitud, muele el perfil y use un probador de dureza de Rockwell para probar la dureza de la superficie, la dureza del núcleo y su distribución del rodillo desde su borde hasta el centro. Se probaron un total de 16 puntos y los resultados de la prueba. La ubicación de prueba de dureza se muestra en la Figura 7.
Figura 7 Mapa de ubicación de prueba de dureza
La razón de la alta dureza de los rodillos es que los materiales de rodillos extranjeros han aumentado el contenido del elemento MN y han aumentado adecuadamente el contenido del elemento MO, lo que mejora la enduribilidad del acero; Además, durante el enfriamiento isotérmico del rodillo, la velocidad de enfriamiento de la cara del extremo del rodillo es relativamente rápida.
La razón de la dureza uniforme de los rodillos es que la composición y la estructura de los materiales extraños son muy uniformes, y durante el tratamiento térmico, el enfriamiento de varias partes de los rodillos es relativamente uniforme.
Debido al complejo estrés en los rodillos principales de las máquinas de túneles de escudo, no solo se requiere que los rodillos tengan buena resistencia, sino también de alta resistencia y dureza para cumplir con sus requisitos para soportar cargas pesadas. En el caso de que se haya determinado la composición del material del rodillo, la dureza del rodillo depende completamente de su proceso de tratamiento térmico. A partir de la selección de materiales para los principales rodillos de rodamientos de máquinas de túneles de escudo extrañas y el análisis de su microestructura, se puede determinar que el proceso de tratamiento térmico utilizado para los rodillos es principalmente enfriamiento isotérmico bainítico. El propósito del enfriamiento isotérmico bainítico es obtener una estructura baínítica inferior, que tiene buenas propiedades mecánicas integrales. Sin embargo, si se usa un tratamiento de enfriamiento isotérmico baínico convencional, la estructura obtenida es una estructura bainítica 100% menor. En comparación con la estructura martensítica, aunque la tenacidad mejoró significativamente, la dureza es relativamente baja, lo que no puede cumplir con los requisitos de la fuerza principal de cojinete de la máquina de escudo.
Al ajustar los parámetros del proceso de enfriamiento isotérmico y cambiar la morfología, la proporción y el contenido de austenita residual de la estructura de bainita obtenida después del enfriamiento isotérmico, se puede mejorar la dureza del enfriamiento isotérmico. Los principales factores que afectan la dureza de las piezas después del enfriamiento isotérmico son:
(1) El grosor del tejido bainita. Cuanto más fino sea la organización, mayor es la dureza. El grosor de la organización se puede ajustar ajustando la temperatura isotérmica del enfriamiento isotérmico de bainita. Cuanto menor sea la temperatura isotérmica, más fino es la estructura de la bainita y mayor es la dureza.
(2) El contenido de Bainita, que se refiere al contenido relativo de Bainita y Martensita en el tejido. Cuanto mayor sea el contenido de la bainita, menor es el contenido de la martensita en el tejido y menor es la dureza, y viceversa. El contenido de Bainita en la organización se puede ajustar ajustando el tiempo de enfriamiento isotérmico. Cuanto más tiempo sea el tiempo isotérmico, mayor es el contenido de bainita en el tejido, menor es el contenido de la martensita y menor es la dureza. A partir de esto, se puede ver que el tiempo de enfriamiento isotérmico del rodillo puede acortarse adecuadamente para aumentar el contenido de la martensita en la estructura, lo que finalmente alcanza el objetivo de mejorar la dureza del rodillo.
(3) Contenido de austenita residual. Cuanto mayor sea el contenido de austenita residual, menor será la dureza.
5. Análisis de tamaño de grano
Los resultados del análisis del tamaño de grano de los principales rodillos de cojinete de las máquinas de túnel de escudo extrañas se muestran en la Figura 8. La posición de la muestra se muestra en la Figura 3. El grabado utilizado es una solución de ácido pícrico, dodecilbenzenesulfonato de sodio y ácido clorhídrico en agua.
Figura 8 Tamaño de grano
Como se muestra en la figura, el tamaño de grano del rodillo es muy pequeño, alcanzando el nivel 9 en GB\/T 6394 "Método para determinar el tamaño promedio de grano de los metales". Hay muchos factores que afectan el tamaño del grano, el más importante de los cuales son la composición química del material y la temperatura de calentamiento y el tiempo de mantenimiento durante el tratamiento térmico. Cuanto mayor sea la temperatura de calentamiento y más tiempo será el tiempo de retención durante el tratamiento térmico, más grueso es el tamaño del grano y viceversa.
El tamaño del grano del acero tiene un impacto significativo en sus propiedades. Debido al hecho de que los límites de grano son obstáculos para la dislocación del movimiento, experimentan una resistencia de deformación significativa cuando se deforman a la posición límite de grano. Los límites de grano pueden limitar la deformación plástica dentro de un cierto rango. Por lo tanto, cuanto más límites de grano hay, mayor será la resistencia de rendimiento del acero. Cuanto mayor sea el nivel de tamaño de grano, más finos son los granos, mayores son el área total de los límites de grano y mayor será la resistencia de rendimiento del acero. Debido a la capacidad de los límites de grano para evitar la propagación de microgrietas en el acero, los granos finos también pueden mejorar la tenacidad del acero.
6. Conclusión
A través de un análisis integral y en profundidad de los principales rodillos de cojinetes de máquinas de túneles de escudo extranjeros, la composición del material, la microestructura del tratamiento térmico, la dureza, el tamaño del grano y el contenido residual de austenita de los rodillos han sido preliminarmente dominados, proporcionando soporte técnico para el desarrollo de los cojinetes principales para las máquinas de túnes de protección en China y con implicaciones significativas para la localización de los bueyes principales de los brotes de shielding.
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