手持式捆扎机张紧轮失效分析
2007-01-15 00:00:00.0 来源：吉林大学 作者：黄梅，兰宏，金昌 责编：中华印刷包装网
手持式捆扎机被越来越多的行业广泛使用在产品包装工序上，冶金行业就是其中之一。目前，在钢厂、冶炼厂等企业，利用手持式捆扎机对各种规格的金属材料如管材、棒材、板材、卷材和有色金属坯锭等进行包装。张紧轮是手持式捆扎机的关键零部件，作用是将包装用钢带在瞬间拉紧，捆住金属材料产品。服役条件主要是承受压力、摩擦力、冲击力等多种交变力的作用，其质量的优劣直接影响整机的使用寿命。
文中对国产和进口2种张紧轮在生产现场上进行了工艺试验，从材料选用、金相组织、磨损表面形貌等方面做了对比分析和研究。
1 试验方法
在某钢厂小型材车间使用K-19A型手持式捆扎机2台，分别安装国产张紧轮Ⅰ和进口张紧轮Ⅱ各3组。捆扎机主要技术参数：牵引力≥2600N，张紧轮转数≥50r／min；捆扎完成时间≤8s。包装用钢带宽度和厚度为19mm×0.6mm符合GB4173标准规定。对Φ40无缝钢管进行包装，捆扎成品外径为≥Φ500mm。按试验规范进行试验，试验至张紧轮失效为止，将使用寿命列入表1。
从表1可以看出，Ⅰ样机的张紧轮平均使用寿命为1.87万次，Ⅱ样机的张紧轮平均使用寿命为6.11万次。进口张紧轮的使用寿命是国产张紧轮的3倍以上。
2 试验结果与分析
2．1 材质
在瑞士ARL光谱仪上，对国产、进口的张紧轮进行了材质分析，测得的主要化学成分见表2。
从表2中可见，国产张紧轮的材料为GCr15铬轴承钢，进口张紧轮的材料为20CrNiMo渗碳钢。
2．2 硬度
国产张紧轮的硬度测试是在HR-150型洛氏硬度计上进行的。测试结果：第1个试样3点硬度分别为60.5、60、61HRC；第2个试样为60.5、61.5、61HRC；第3个试样为59、60、60HRC。均值为60.4HRC。
进口张紧轮硬度测试是利用HXD-1000型显微硬度计。由表层至心部每隔0.05mm间距测试一点，测量力为200g，保时为1.5s。测得的硬度梯度数值见表3。
从表3可见，在表层最外一点测试的表面硬度为593HV，该点是表面渗层硬度值。第8、9点测试的硬度均为386HV，说明该处是非渗层硬度值。
2．3 金相组织
国产张紧轮使用的材料为高碳铬轴承钢，经淬火和回火后具有高而均匀的硬度，良好的耐磨性和高的接触疲劳寿命，但有回火脆性倾向（见图1）。而进口张紧轮使用的材料为20CrNiMo渗碳钢，它具有良好的塑性、韧性和强度，经渗碳、二次淬火和回火后表面具有高的硬度、高的疲劳强度、心部具有高冲击韧性（见图2和表3）。其特点是接触疲劳强度与表面耐磨性能明显优于高碳铬轴承钢GCr15。
2．4 磨损表面形貌
在JXA-840型扫描电子显微镜上，对两种张紧轮分别进行了微观分析，见图3。图3a为进口张紧轮磨损后的表面形貌，呈现出局部剥落坑，磨损机制主要是疲劳磨损。图3b为国产张紧轮磨损后的表面形貌，呈现出大面积、较深的剥落坑，伴有细小的疲劳裂纹，磨损机制也是以疲劳磨损为主。很显然，国产张紧轮的磨损速率明显高于进口产品。
2．5 分析
国产和进口的张紧轮在相同工况下，使用寿命相差3倍之多，除机械结构设计外（本文不作介绍），更主要是因材料选择和热加工工艺不同而产生的。
虽然，两种材料的张紧轮分别经热处理后都各自达到所要求的金相组织和硬度。但其综合性能却存在着差异。20CrNiMo钢的张紧轮经渗碳、淬火后得到理想的综合性能，满足了特定工况的使用要求。而GCr15钢的张紧轮抗冲击性能较弱，易产生疲劳微裂纹，所以使用寿命相对较短。
从两种张紧轮磨损后表面形貌微观分析可知，其主要磨损机制相同均为疲劳磨损。但磨损后表面形貌差异较大，主要原因是因为进口张紧轮采用的材料为20CrNiMo渗碳钢，经渗碳、淬火和回火热处理后，表面得到强化处理，改变了组织结构，有利于降低疲劳磨损的磨损率。
3 结 语
对两种材料加工的张紧轮，在同一生产现场使用的结果分析认为：（1）在材料选用时，应选择综合性能与其服役工况相符合的材料；（2）选用20CrNiMo钢加工的张紧轮，使用寿命比用GCr15钢提高3倍之多。
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