釬桿疲勞裂紋分布的研究

我國(guó)釬鋼的大量生產(chǎn)己有近50多年的歷史，而現(xiàn)代化釬具的生產(chǎn)也經(jīng)歷了近40年的發(fā)展。我國(guó)釬鋼消耗量占世界各國(guó)首位，近年來(lái)穩(wěn)定在10萬(wàn)噸/年左右。目前我國(guó)不僅有年產(chǎn)四萬(wàn)多噸的釬具生產(chǎn)大廠，也有近兩百多家分布于全國(guó)各地的釬具生產(chǎn)小廠。產(chǎn)品適應(yīng)了全國(guó)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 除少數(shù)品種仍需進(jìn)口外， 基本滿足了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)建設(shè)的需要。從釬具廠的生產(chǎn)工藝和技術(shù)裝備來(lái)說(shuō)，有不少?gòu)S自行研制了一些釬具生產(chǎn)專用設(shè)備和獨(dú)特的釬具生產(chǎn)工藝技術(shù)，也有部分廠吸收或引進(jìn)了國(guó)外釬具生產(chǎn)的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備。但也有不少釬具廠近似作坊式生產(chǎn)，工藝、技術(shù)和裝備相對(duì)落后，其產(chǎn)品在市場(chǎng)上銷售，良莠共存，質(zhì)量、壽命差距很大，這是我國(guó)釬鋼消耗量大的一個(gè)主要原因，對(duì)國(guó)家資源也是一種浪費(fèi)。

我國(guó)釬具生產(chǎn)中，釬桿占了很大的比例，按重量計(jì)，約占80%以上。而釬桿產(chǎn)品中，B22、B25 六角釬桿（俗稱小釬桿）占近90%的份額，而螺紋連接的接桿釬桿和鉆車釬桿，只占10%左右， 而且還有不少?gòu)膰?guó)外進(jìn)口（隨機(jī)或單獨(dú)進(jìn)口）。

釬桿質(zhì)量的好壞，取決于鋼種、熱處理制釬工藝、釬桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、不同斷面之間的過(guò)渡，甚至過(guò)渡圓弧大小等諸多因素。其中釬桿的熱處理，在上述諸多因素中是造成釬桿壽命低或提前失效的主要原因。正確選擇釬桿熱處理工藝，將有效提高我國(guó)釬桿產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命、降低消耗，有利于社會(huì)綜合效益的提高 。

B22、B25 六角錐形釬桿的生產(chǎn)工序是：定尺下料→矯正→釬尾擴(kuò)孔（有加熱擴(kuò)孔、車床鉆擴(kuò)孔，熱穿熱拔中空鋼的心孔比較圓時(shí)甚至不擴(kuò)孔）→釬尾平頭倒角→墩釬肩→車錐體→釬尾淬火回火→矯直→防腐處理→包裝出廠。這種生產(chǎn)工序，桿體硬度取決于中空鋼的熱軋硬度，產(chǎn)品壽命波動(dòng)性大。眾所周知，我國(guó)中空鋼生產(chǎn)廠，沒(méi)有一家采用控制軋制或軋后控制冷卻工藝。前面已經(jīng)提及55SiMnMo 鋼對(duì)高溫加熱后的冷卻非常敏感，廠房?jī)?nèi)冬天和夏天的氣溫差別、冷床的大小和停留時(shí)間、生產(chǎn)節(jié)奏的快慢、風(fēng)扇的擺放位置和遠(yuǎn)近距離等等， 再加上55SiMnMo 鋼在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的化學(xué)成分波動(dòng)都對(duì)中空鋼的軋后硬度有很大影響。所以，要保證B22、B25六角釬桿的桿體質(zhì)量和壽命，有必要對(duì)桿體進(jìn)行熱處理。

B22、B25 六角釬桿保證其熱處理后達(dá)到HRC40 的工藝方法很多，有調(diào)質(zhì)處理（淬火 高溫回火）、亞溫淬火 中低溫回火、正火處理、表面感應(yīng)加熱淬火等等。從前面分析指出，要55SiMnMo 鋼得到上貝氏體 30%左右富碳?xì)埩魥W氏體的顯微組織， 只有正火處理或控制軋制或軋后控制冷卻處理才能保證上述組織，并能得到HRC40 左右的硬度。釬桿是細(xì)長(zhǎng)桿件，正火處理彎曲度小，所以正火處理是保證桿體硬度最佳、最經(jīng)濟(jì)合理的熱處理工藝。正火的方法很多，有中頻感應(yīng)加熱正火、接觸加熱正火、井式爐加熱爐正火、箱式加熱爐正火等等。經(jīng)過(guò)比較，只有中頻感應(yīng)加熱正火，容易控制桿體硬度的均勻性。中頻感應(yīng)設(shè)備一般是選擇l00kW 和2500Hz 的設(shè)備。

桿體中頻正火工藝是：880°±20℃， 隨后空冷或風(fēng)冷（視環(huán)境溫度而定），要注意桿體內(nèi)外表面溫度均勻一致， 正火后硬度控制在HRC36-38，不宜超過(guò)HRC42。最佳正火金相組織是上貝氏體 殘留奧氏體， 要保證獲得這種組織往往要經(jīng)常調(diào)整冷卻速度。

另外， 中頻正火處理工序放在釬桿生產(chǎn)流程中那道工序最合適？目前有兩種選擇，一種是在定尺下料矯直后進(jìn)行，正火后再矯直進(jìn)入以后工序。這種選擇的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品矯直易進(jìn)行，可在矯直機(jī)上矯直，矯直效率高。缺點(diǎn)是存在墩釬肩局部加熱后產(chǎn)生的加熱過(guò)度軟區(qū)沒(méi)有消除，且錐體車削加工硬度稍高，增加刀具消耗（一般正火硬度要略高于熱軋硬度），且光潔度、精度稍差。另一種選擇是釬尾淬火回火前進(jìn)行正火處理， 這可基本消除前

面熱加工造成的因局部加熱而產(chǎn)生的過(guò)渡軟區(qū)，缺點(diǎn)是在墩釬肩后正火，因釬肩的存在不易矯直、矯直效率低。所以，大批量生產(chǎn)往往選擇前一種：而小批量生產(chǎn)采用后一種。而后一種的產(chǎn)品的壽命和質(zhì)量要高于前一種。

1 釬桿熱處理工藝選擇的基礎(chǔ)是鋼種釬具用鋼，伴隨著沖擊式鑿巖機(jī)械的發(fā)展，形成了各種系列和類別。在釬桿生產(chǎn)中，正確選擇了鋼種，才有可能選擇能充分發(fā)揮該鋼種優(yōu)點(diǎn)的熱處理工藝，以保證釬桿的質(zhì)量和壽命。鋼種不同，最佳的熱處理工藝也不同。

2 釬桿熱處理工藝選擇的依據(jù)是釬桿的基本要求和釬桿的失效分析釬桿的基本要求因品種而異，釬桿的失效原因，有釬桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或制釬過(guò)程各加工工序的缺陷，還有使用時(shí)的失誤等等。

但熱處理工藝是否適當(dāng)，熱處理時(shí)是否存在質(zhì)量問(wèn)題，是內(nèi)在的、是本質(zhì)的。要針對(duì)釬桿失效的最主要原因，排除了各種外在的因素以后，選擇保證內(nèi)在質(zhì)量的最佳熱處理工藝。

3 釬桿熱處理工藝選擇要遵循經(jīng)濟(jì)性、合理性和可行性原則目前熱處理技術(shù)的發(fā)展，日新月異，除了常規(guī)的熱處理、感應(yīng)加熱、化學(xué)熱處理、真空熱處理之外，還有高能束（激光、電子束等）熱處理、物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積、離子注入、噴涂等新的表面強(qiáng)化熱處理技術(shù)。釬桿是細(xì)長(zhǎng)桿件，要進(jìn)行整體處理有很大的局限性，往往一種熱處理工藝無(wú)法滿足釬桿各部位的基本要求，應(yīng)選擇幾種熱處理工藝，分別對(duì)各部位進(jìn)行處理。如何在眾多的熱處理技術(shù)中選擇適合于釬桿的各種基本要求的熱處理工藝，就要考慮經(jīng)濟(jì)性、合理性和可行性。

4 選擇熱處理工藝的最終判據(jù)是釬桿實(shí)際使用壽命的提高程度

到目前為止，釬桿質(zhì)量的高低最好的判定是進(jìn)行實(shí)地礦山鑿巖試驗(yàn)。在此之前，國(guó)內(nèi)外不少公司和科研機(jī)構(gòu)和高等院校，研制過(guò)釬桿室內(nèi)壽命試驗(yàn)臺(tái)和壽命測(cè)試裝置，其試驗(yàn)或檢測(cè)結(jié)果只能是相對(duì)性的或作為初步選擇制釬工藝或熱處理工藝的篩選手段。應(yīng)該指出: 實(shí)地礦山鑿巖試驗(yàn)數(shù)據(jù)往往也具有相對(duì)性，只有在同一地點(diǎn)、同一種機(jī)械、相同的操作水平， 數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)處理才有比較可靠的對(duì)比性。礦山鑿巖試驗(yàn)的高壽命結(jié)果，是熱處理工藝選擇的最重要依據(jù)。

釬尾的熱處理， 主要是保證釬尾在活塞的高頻沖擊下不堆頂、不炸頂。對(duì)55SiMnMo鋼來(lái)說(shuō)， 釬尾硬度在HRC50-54 的范圍時(shí)，將能滿足上述要求。55SiMnMo 鋼的釬尾熱處理工藝是：870℃±20°。淬油，淬火加熱最好采用中頻感應(yīng)圈加熱， 加熱長(zhǎng)度70~80 毫米，淬火后硬度為HRC56-58。

釬尾回火工藝：320~340℃±10°?；鼗鸷笥捕菻RC52-54。該爐批的化學(xué)成分含碳量高（從質(zhì)量保證書可以查到）宜采用溫度高限；含碳量低宜選擇溫度低限?；蚧鼗鸷髾z查釬尾硬度若高出HRC54，要調(diào)高溫度重新回火。若回火后硬度低于HRC48，釬尾要正火后再重新淬火，回火溫度比原來(lái)要調(diào)低。釬尾回火，建議專用低溫鹽爐，局部回火，浸入鹽槽長(zhǎng)度不宜超過(guò)錐體釬肩，以比淬火長(zhǎng)度深10 毫米為宜。

1.B22、B25 六角釬桿的常用鋼種和基本要求B22、B25 六角釬桿包括錐形連接和整體釬桿。我國(guó)大部分釬桿用戶使用的是錐形連接釬桿。我國(guó)錐形連接釬桿用鋼，經(jīng)過(guò)近40年的大量試驗(yàn)、研究、生產(chǎn)和使用證明，55SiMnMo 鋼是獨(dú)具特色、符合我國(guó)資源的比較優(yōu)秀的釬鋼鋼種。55SiMnMo 鋼屬貝氏體鋼，在正火狀態(tài)或熱軋狀態(tài)時(shí)（控軋控冷）桿體硬度在HRC35～38 時(shí)，具有高的彈性和疲勞強(qiáng)度， 金相組織是粒狀貝氏體或板條貝氏體（同屬上貝氏體）和富碳的殘留奧氏體。

55SiMnMo 鋼的正火組織（或熱軋狀態(tài)）與鋼的化學(xué)成分和冷卻速度有很大的關(guān)系。而正火狀態(tài)（或熱軋狀態(tài)）的桿體硬度也與鋼的化學(xué)成份和冷卻速度密切相關(guān)。金相組織中的殘留奧氏體量和是否出現(xiàn)針狀貝氏體或馬氏體或冷速太慢出現(xiàn)珠光體， 甚至鐵素體等對(duì)釬桿的壽命都有顯著的影響。當(dāng)桿體硬度控制在HRC35～38 時(shí)，顯微組織中的貝氏體, 顯微硬度在HV420 左右，而高碳的殘余奧氏體顯微硬度高達(dá)HV750 左右。實(shí)踐證明:在顯微組織中不出現(xiàn)馬氏體、下貝氏體和珠光體、鐵素體的情況下， 上貝氏體 殘余奧氏體量在25%～35%的范圍，釬桿有高的鑿巖壽命。

2.B22、B25 六角釬桿的基本要求是：

（a）高的疲勞強(qiáng)度和良好的韌性配合。

（b）低的缺口敏感和低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。

（c）桿體要有好的彈性、釬尾在鑿巖機(jī)活塞的沖擊下，不會(huì)堆頂和炸頂。

國(guó)內(nèi)外大量的研究工作和實(shí)踐證明：B22 和B25 六角釬桿的鋼材是六角中空鋼，鋼材的表面狀態(tài)是熱軋狀態(tài)，在熱軋的表面狀態(tài)下要保證有高的疲勞強(qiáng)度，其最佳硬度是HB400 左右（HRC42 左右）。也恰好在這個(gè)硬度范圍，細(xì)長(zhǎng)桿件的彈性最好。B22和B25 六角釬桿的釬尾，在工作時(shí)要受到鑿巖機(jī)活塞的高頻沖擊，所以對(duì)釬尾硬度有較嚴(yán)的要求,大量的研究和實(shí)踐證明，釬尾硬度HRC50～54 的范圍時(shí)， 釬尾不會(huì)出現(xiàn)堆頂和炸頂現(xiàn)象。

3.B22、B25 六角釬桿的工作條件和失效特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)的研究工作在八十年代初就已得出結(jié)論：B22 六角釬桿是在高頻沖擊下產(chǎn)生縱應(yīng)力（拉-壓應(yīng)力） 為主和腐蝕條件下工作的，其沖擊功率在60J 左右，沖擊頻率2000～3500 次/分，全應(yīng)力為300 MPa，釬桿內(nèi)孔通0.3～0.4 MPa 壓力的礦水進(jìn)行排屑和除塵。在這樣的工作條件下，釬桿的正常失效是疲勞斷裂失效。當(dāng)釬桿外表面存在缺陷（脫碳、夾雜、折疊、碰傷缺口等）在高頻應(yīng)力下， 一些缺陷造成應(yīng)力集中，形成疲勞裂紋和擴(kuò)展進(jìn)而發(fā)生外疲勞斷裂。釬桿外表面不存在缺陷或經(jīng)過(guò)表面強(qiáng)化（如拋丸、滾壓等）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)疲勞斷裂。內(nèi)疲勞斷裂有兩種情況:

（a）表面無(wú)缺陷時(shí)，首先在高頻應(yīng)力和礦水腐蝕的共同作用下，在內(nèi)表面形成應(yīng)力腐蝕點(diǎn)，應(yīng)力腐蝕點(diǎn)隨著時(shí)間推移和應(yīng)力及礦水腐蝕而加深，發(fā)展為腐蝕坑，腐蝕坑發(fā)展到一定深度后引起應(yīng)力集中而擴(kuò)展為疲勞源并發(fā)展為疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展最終造成疲勞斷裂。我們觀察到腐蝕坑的深度在0.14～0.22 毫米時(shí)形成疲勞源和疲勞裂紋，隨后疲勞裂紋迅速擴(kuò)展而造成釬桿的內(nèi)疲勞斷裂。

（b）如果內(nèi)表面存在缺陷時(shí)，在高頻應(yīng)力和礦水腐蝕的共同作用下，缺陷處引起應(yīng)力集中和腐蝕加深，很快形成疲勞源或疲勞裂紋，往往不存在疲勞源孕育期，很快造成釬桿疲勞斷裂 。

錐體的熱處理尚未引起國(guó)內(nèi)釬具生產(chǎn)廠的重視，國(guó)內(nèi)釬具生產(chǎn)廠幾乎沒(méi)有一家專門針對(duì)提高錐體的質(zhì)量而進(jìn)行熱處理的。目前我國(guó)B22、B25 六角錐形釬桿的錐體壽命，往往只有釬桿其他部位壽命的1/3。就連國(guó)內(nèi)專業(yè)廠的現(xiàn)場(chǎng)鑿巖壽命標(biāo)定和行業(yè)釬桿壽命試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)，在錐體斷裂時(shí)，是計(jì)算三次斷錐體平均壽命代表釬桿的壽命。

錐體先于桿體斷裂，有結(jié)構(gòu)上的原因，也與高頻沖擊應(yīng)力在錐體部位的傳播特點(diǎn)有關(guān)。錐體端部的截面比桿體小。錐體與釬頭相配合進(jìn)行鑿巖時(shí)，距巖石最近，高頻沖擊應(yīng)力波傳至巖石不進(jìn)行破碎時(shí)，有一個(gè)等強(qiáng)度的反射波先回傳至錐體再傳回桿體，破碎巖石的應(yīng)力和破碎后的反射波在錐體首先疊加，再傳回桿體時(shí)逐步衰減。由于應(yīng)力波和反射波在桿體的傳播速度達(dá)5100 米/秒， 經(jīng)計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)測(cè)，每次沖擊應(yīng)力波將產(chǎn)生15次反射波，再加上錐體與釬頭褲體相配后，成直角截面過(guò)渡，應(yīng)力集中現(xiàn)象驟增。所以錐體所受應(yīng)力（包括沖擊應(yīng)力的反射應(yīng)力）往往大于桿體中部的應(yīng)力而且呈不對(duì)稱性。在實(shí)際鑿巖時(shí)，若鑿巖機(jī)推力不足或使用過(guò)鈍的釬頭，錐體斷裂的機(jī)會(huì)更大。另外，還有錐體與釬頭褲體配合不良，接觸面欠佳或插入深度不夠等等，更加劇了上述因素的破壞作用。因此，為了提高錐體的壽命，對(duì)錐體專門進(jìn)行熱處理和強(qiáng)化處理是十分必要的。

對(duì)斷裂后的B22 錐形釬桿， 釬肩前、桿體中部和錐體部位的內(nèi)疲勞裂紋分布情況進(jìn)行分析，釬桿在釬肩中部?jī)?nèi)疲勞斷裂。從分析結(jié)果可以看出:釬肩前的內(nèi)疲勞裂紋比較粗、長(zhǎng)、深，說(shuō)明這個(gè)部位的應(yīng)力值最大，但裂紋數(shù)量相對(duì)要少。錐體部位的裂紋、數(shù)量非常多，密度高，但比較淺、小，說(shuō)明此處受到的反射應(yīng)力頻率高，但應(yīng)力值小，且觀察到應(yīng)力波和反射應(yīng)力波的疊加區(qū)， 造成疲勞裂紋增多的情況。釬肩和部分釬尾的內(nèi)疲勞分布情況說(shuō)明，熱擴(kuò)水針孔的截面變化部位，由于出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生了裂紋；釬肩中部，若釬肩形狀設(shè)計(jì)不合理，出現(xiàn)喇叭口時(shí)，也因應(yīng)力集中現(xiàn)象而出現(xiàn)粗大裂紋，造成釬肩中部的斷裂。

分析中還發(fā)現(xiàn)，釬肩設(shè)計(jì)合理的釬桿，釬肩中部?jī)?nèi)孔適當(dāng)縮小， 但縮小的過(guò)渡區(qū)過(guò)于劇烈時(shí)也會(huì)出現(xiàn)粗大裂紋而在此處斷裂; 試驗(yàn)中數(shù)支釬桿就是在此處斷裂。試驗(yàn)還對(duì)桿體中部的內(nèi)疲勞裂紋分布作了縱向剖視分析，從縱向剖面上可以看出; 桿體中部的內(nèi)疲勞裂紋數(shù)量少，而且多是淺、小裂紋，說(shuō)明其所受應(yīng)力值小，反射波疊加也因距釬頭遠(yuǎn)，反射波已經(jīng)衰減而疊加現(xiàn)象減少， 所以桿體中部斷裂的機(jī)率低些。

釬桿外疲勞裂紋的分布。釬尾、釬肩前、桿體中部的外疲勞裂紋無(wú)明顯的規(guī)律性分布特征。這些部位的外疲勞斷裂比較分散，往往與這些部位的外表面缺陷相聯(lián)系。換言之，這些部位只要出現(xiàn)嚴(yán)重的外表面缺陷， 就會(huì)在這些嚴(yán)重缺陷部位產(chǎn)生外疲勞源， 并發(fā)展為疲勞裂紋且擴(kuò)展而最終造成釬桿的外疲勞斷裂。錐體部位的斷裂，主要是外疲勞斷裂，為此專門作了錐體部位的外疲勞分布的研究。

鍛造錐體因幾何尺寸精度差，與車床加工的釬頭錐孔配合差，造成錐體的應(yīng)力分布極不均勻，接觸不良的部位受力大，容易產(chǎn)生裂紋。

主要有:

（1）釬桿錐體插入深度不夠，在插入部與未插入部之間產(chǎn)生粗大外疲勞裂紋，容易造成錐體的中部斷裂。

（2）釬桿的錐體是腰鼓形，所以錐體端部和中部都有粗大裂紋。

（3）釬桿錐度較好，只在錐體端部出現(xiàn)粗大裂紋。此外，少量釬桿錐體的外表面都可以看到“桔皮狀”的粗糙情況，這是粗密疲勞裂紋造成的現(xiàn)象，與其錐體部位的疲勞裂紋一樣，應(yīng)力頻率高，但應(yīng)力值小。所以，錐體附近部位，如果沒(méi)有嚴(yán)重的外傷（卸釬頭時(shí)的嚴(yán)重敲擊）或外表面缺陷，一般不在這些部位斷裂。

在實(shí)際鑿巖作業(yè)中，還經(jīng)常遇到釬尾炸頂和堆頂?shù)那闆r，個(gè)別的在釬尾108 毫米處根部斷裂。釬尾108 毫米處斷裂主要與根部圓弧的大小密切相關(guān)， 根部圓弧大于4.5 毫米并稍加改進(jìn)圓弧過(guò)渡，此處一般不會(huì)斷裂。

而釬尾炸頂和堆頂主要與釬尾熱處理硬度有關(guān)，若釬尾淬火、回火后硬度仍高于HRC57則容易出現(xiàn)炸頂，而硬度低于HRC49 常常會(huì)出現(xiàn)堆頂情況。

螺紋釬桿的失效大都在螺紋部位和過(guò)渡槽區(qū)域，破壞形式是疲勞斷裂。其中釬桿在螺紋和過(guò)渡槽斷裂占2/3， 桿體斷裂占1/3 左右。螺紋釬桿外疲勞斷裂占多數(shù)，而內(nèi)疲勞斷裂占少數(shù)（內(nèi)表面存在冶金缺陷的除外）。螺紋釬桿的失效機(jī)理主要是微動(dòng)磨損和沖擊磨損而形成疲勞源，發(fā)展為疲勞裂紋，疲勞裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致釬桿最后斷裂。所以，螺紋釬桿應(yīng)該具有以下性能：

（1） 高的耐磨性和高的韌性；

（2） 高的疲勞強(qiáng)度和足夠的剛性和彈性；

（3） 低的缺口敏感性和低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率；

（4） 要有一定的高溫硬度和抗高溫軟化性；

（5）要有高的防腐性能和抗腐蝕疲勞的能力。

目前所有鋼種中找不出一個(gè)能全面滿足這些要求的鋼種。即使在多種熱處理工藝配合下，有些性能仍然無(wú)法滿足。對(duì)各國(guó)螺紋釬桿的綜合考察分析可知，目前只有低碳高強(qiáng)度合金鋼，經(jīng)螺紋成型加工后進(jìn)行整體滲碳處理，空冷（或控冷）后兩端螺紋及過(guò)渡槽進(jìn)行淬火和低溫回火，內(nèi)孔和外表面進(jìn)行噴砂或噴丸后進(jìn)行防腐處理能獲得較高較穩(wěn)定的壽命。

從資料中所列的螺紋釬桿用鋼，只有20 ~25CrNi3Mo 鋼和24 ~27SiMnNi2CrMo 鋼比較適合作螺紋釬桿。20~25CrNi3Mo 鋼是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的最適合于螺紋釬桿的首選鋼種，它具有高的強(qiáng)度和高的韌性，低的缺口敏感性和低的疲勞擴(kuò)展速率。經(jīng)整體滲碳后空冷（或控冷）有足夠的剛性和彈性，經(jīng)滲碳淬火、低溫回火有高的耐磨性和高的疲勞強(qiáng)度，若再經(jīng)過(guò)有效的防腐處理（如瑞典的SR 處理或靜電噴漆處理）獲得高的抗腐蝕疲勞能力。

該鋼存在的問(wèn)題是經(jīng)滲碳處理后抗高溫軟化和高溫硬度欠佳，且滲碳淬火后增加了鋼的缺口敏感性。24~27SiMnNi2CrMo 鋼是我國(guó)仿制的較好的螺紋釬桿用鋼，若經(jīng)上述的熱處理和防腐處理也能獲得略低于20 ~25CrNi3Mo 鋼的釬桿壽命。至于其他35SiMnMoV、32Si2Mn2MoV 等Si-Mn-Mo 系鋼，雖然有較高的強(qiáng)度和一定的韌性，但比起Cr-Ni-Mo 系鋼有較大的差距。上述Si-Mn-Mo系鋼經(jīng)滲碳淬火后，可增加耐磨性，但缺口敏感性增加，韌性迅速下降，制成的螺紋釬桿脆性斷裂大大增加，釬桿整體壽命大幅度下降。

0.35～0.45%含碳量的高強(qiáng)度合金鋼，國(guó)外在二十世紀(jì)七八十年代曾用作大直徑的螺紋接桿釬桿， 采用調(diào)質(zhì)處理后中頻（8000-10000Hz）表面淬火工藝。期望獲得韌性和表面耐磨性的配合，但與上面的低碳高強(qiáng)度合金鋼 滲碳淬火工藝路線相比，產(chǎn)品壽命仍有很大的差距（只是在聯(lián)接套的應(yīng)用上取得一定的成功）， 進(jìn)入九十年代這種鋼和工藝路線配合在國(guó)外的螺紋釬桿產(chǎn)品中已很少見到。

綜合國(guó)內(nèi)外幾十年的螺紋釬桿研究和生產(chǎn)實(shí)踐， 最佳的螺紋釬桿生產(chǎn)工藝路線是低碳高強(qiáng)度合金中空鋼， 經(jīng)成形加工后進(jìn)行整體滲碳處理，在專用的冷卻罐中控制冷卻，兩端重新進(jìn)行中頻加熱淬火和低溫回火，然后內(nèi)外表面進(jìn)行清理，再進(jìn)行有效的防腐處理。

（1）滲碳工藝

螺紋釬桿進(jìn)行整體滲碳處理要有足夠深的井式氣體滲碳爐。國(guó)內(nèi)已有幾家建成了有效深度4.5～7.0 米的井式氣體滲碳爐， 采用滴注式氣體滲碳。國(guó)外大部分用氣源式。滴注式氣體滲碳所采用滴注液配方很多:有甲醇 煤油、甲醇 丙酮、甲醇 甲苯、甲醇 醋酸乙脂、煤油 空氣、甲醇 異丙醇（或同時(shí)加少量空氣）等等。一般是用甲醇 丙酮;煤油 空氣成本最低，但表面含碳量偏高和容易出現(xiàn)碳黑。較理想的是甲醇 醋酸乙脂的滴注液配方而且便于滲碳過(guò)程的碳勢(shì)控制。甲醇 甲苯是滲碳能力很強(qiáng)的滴注液。上述各種配方可根據(jù)各廠的經(jīng)驗(yàn)、使用習(xí)慣和生產(chǎn)實(shí)際選擇。

滲碳溫度是：920～930℃±10℃， 有的廠采用890℃±10℃，溫度高、滲碳速度快、時(shí)間短、生產(chǎn)周期快。溫度低一點(diǎn)、滲碳時(shí)間長(zhǎng)但爐罐使用壽命時(shí)間長(zhǎng)且表面含碳量易控制在理想范圍， 螺紋釬桿滲碳層厚度一般控制在0.6～0.9 毫米， 釬桿直徑大取上限， 直徑小取下限（滲碳層厚度按>HV500 的厚度計(jì)算）。滲碳層表面含碳量最好控制在0.8～0.85%，一般不允許超過(guò)0.95%。

滲碳層表面含碳量的控制對(duì)螺紋釬桿是十分重要的。滲碳層表面含碳量的控制往往是通過(guò)爐內(nèi)碳勢(shì)來(lái)控制。碳勢(shì)的高低與選用的滴注液配方有關(guān)，也與滲碳溫度有關(guān)；滲碳溫度高、碳勢(shì)高、滲碳速度快；溫度低、碳勢(shì)低、滲碳速度稍低。螺紋釬桿滲碳層的表面含碳量過(guò)高，會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物，增加滲碳層的脆性和缺口敏感性；淬火后也會(huì)出現(xiàn)粗大的馬氏體和過(guò)多的殘留奧氏體，造成釬桿表面硬度低和耐磨性降低。表面含碳量過(guò)高勢(shì)必造成碳深度坡度曲線變陡，容易造成滲碳層的剝落。

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在滲碳熱處理過(guò)程的應(yīng)用， 解決了一系列的滲碳熱處理質(zhì)量控制問(wèn)題?？梢酝ㄟ^(guò)微機(jī)控制：爐內(nèi)碳勢(shì)（≤0.05%C）、溫度（精確度≤5℃，大爐子），滲碳層厚度（≤0.1 毫米）以及時(shí)間、流量、超溫報(bào)警等諸多參數(shù)控制。保證釬桿滲碳質(zhì)量的高要求。

（2） 滲碳后的冷卻

滲碳后的控制冷卻，主要目的是保證釬桿體獲得較均勻的硬度，防止冷卻過(guò)程中釬桿表面過(guò)份氧化或脫碳。國(guó)外螺紋釬桿專用滲碳爐，配有專門設(shè)計(jì)的控制冷卻裝置，可以控制和調(diào)節(jié)不同的冷卻速度，以保證不同直徑品種的冷卻要求，而達(dá)到所規(guī)定的硬度要求和組織要求。國(guó)內(nèi)個(gè)別廠家對(duì)原有的井式氣體滲碳爐的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造。國(guó)內(nèi)大部分廠家多采用罐冷、空冷式風(fēng)冷，桿體硬度隨品種和裝爐量的不同波動(dòng)比較大、均勻性也欠佳、給釬桿產(chǎn)品的彈性、剛性和使用壽命造成影響，應(yīng)引起有關(guān)廠家的重視。

長(zhǎng)釬桿經(jīng)整體滲碳后冷卻會(huì)出現(xiàn)較大的彎曲，給釬桿矯直增加了不少困難，而冷卻后要保證釬桿有好的剛性和彈性，要求硬度在HRC40 左右， 彎曲的HRC40 的釬桿難于矯直，增加了矯直的工作量。大批量生產(chǎn)要配備效率高的矯正機(jī)。

在滲碳質(zhì)量管理上，每爐要有隨爐試樣，作為該爐滲碳質(zhì)量檢查樣品，并進(jìn)行金相分析、滲碳層厚度測(cè)量、表面網(wǎng)狀碳化物的評(píng)級(jí)等，并進(jìn)行生產(chǎn)記錄和備查。

（3） 滲碳后的熱處理

釬桿整體滲碳后，為了提高兩端螺紋部位的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，要進(jìn)行淬火和低溫回火處理，其淬火、回火工藝是：840～860℃±20℃淬油 200～220℃回火。

淬火加熱最好采用中頻感應(yīng)加熱，加熱長(zhǎng)度略超過(guò)過(guò)渡槽（或搬柄槽），淬火后表面硬度應(yīng)≥HRC58；回火，建議采用低溫鹽浴爐，回火后硬度≥HRC56。淬火回火后的釬桿要進(jìn)行最終精矯直、表面清理和防腐處理。

（4）其他熱處理工藝

目前國(guó)內(nèi)一些釬具生產(chǎn)廠，受投資或條件的限制，不具備深井式氣體滲碳爐，無(wú)法采用滲碳熱處理工藝，而又要生產(chǎn)螺紋釬桿，有些廠采用國(guó)產(chǎn)35SiMnMoV 鋼，常規(guī)淬火回火工藝或等溫淬火 回火工藝生產(chǎn)螺紋釬桿。

實(shí)踐證明，這種生產(chǎn)工藝路線，只能滿足螺紋釬桿的部分性能要求， 產(chǎn)品壽命與上述低碳高強(qiáng)度合金鋼 滲碳熱處理工藝路線的產(chǎn)品相比有較大的差距。

此外，也應(yīng)該指出：中空鋼的生產(chǎn)工藝和冶金質(zhì)量， 對(duì)螺紋釬桿的質(zhì)量和壽命有著重大的影響， 凡是造成中空鋼或釬桿內(nèi)孔和外表面缺陷的因素，都會(huì)降低釬桿的使用壽命，凡是減少內(nèi)孔和外表面缺陷或強(qiáng)化內(nèi)孔和外表面的因素，都能有效提高釬桿的使用壽命。

最后指出： 低碳高強(qiáng)度合金鋼經(jīng)滲碳和淬火回火熱處理 噴丸處理和防腐處理是目前最佳的螺紋釬桿制釬工藝。但低碳高強(qiáng)度合金鋼經(jīng)滲碳淬火回火處理， 雖然增加了螺紋釬桿的表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度，同時(shí)也使螺紋釬桿表面的缺口敏感性增加。這一工藝也未能滿足螺紋釬桿在鑿巖過(guò)程中，聯(lián)接套與釬桿螺紋之間的高頻撞擊所產(chǎn)生高熱的抗軟化能力。所以，螺紋釬桿仍有課題需要進(jìn)行深入的研究 。2100433B

《液壓鑿巖機(jī)用釬桿產(chǎn)品質(zhì)量分等(MT/T 533-1996)》由中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版。2100433B