劉少君

（天水風(fēng)動機械有限責(zé)任公司，甘肅天水741020）

1 前言

潛孔鉆頭是與潛孔沖擊器配套使用的硬質(zhì)合金釬頭，不僅用于露天采礦、地下采礦，還廣泛用于水井鉆進、礦物勘探、工程地質(zhì)勘察柱孔鉆進、巖層加固、地?zé)峥足@進、地層錨固和通信線路及排水管路的安裝等方面。在鉆進中，孔外只有回轉(zhuǎn)機構(gòu)，潛孔沖擊器在鉆頭的尾部，是利用沖擊器的活塞在壓縮空氣循環(huán)作用下沖擊鉆頭來破碎巖石并由壓縮空氣將巖渣吹出孔外。主要特點是使用壽命長、不用修磨、易加工、價格低等優(yōu)點，在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用。

我公司生產(chǎn)的Q13115G-H64高氣壓潛孔柱齒鉆頭材質(zhì)為23CrNi3Mo，在試驗使用過程中出現(xiàn)鉆頭體頭部早期失效斷裂，鉆頭掉齒并連帶殼體撕裂掉塊，在掉塊處有比較大的縱向裂紋。失效鉆頭庫體見實圖1～4。對失效鉆頭撕裂掉塊處的縱向裂紋進行分析，發(fā)現(xiàn)裂紋平滑、比較直，裂紋內(nèi)無氧化及脫碳現(xiàn)象，內(nèi)有較多的碎金屬塊，金屬塊具有金屬光澤，可斷定裂紋屬于冷裂，是鉆頭在使用過程中裂開。

圖1 失效鉆頭庫體的斷裂形貌

圖2 失效鉆頭庫體的斷裂形貌

圖3 失效鉆頭庫體的斷裂形貌

圖4 失效鉆頭庫體的斷裂形貌

下面從生產(chǎn)源頭對Q13115G-H64高氣壓潛孔柱齒鉆頭的斷裂失效進行分析并提出了一些控制其質(zhì)量關(guān)鍵的因素。

2 鉆頭生產(chǎn)工藝流程

Q13115G-H64高氣壓潛孔柱齒鉆頭的生產(chǎn)全流程為：

軋材-切料-鍛造-預(yù)先熱處理-加工-滲碳-回火-加工-淬火-鉆合金孔-熱鑲齒-涂料-包裝入庫。

2.1 軋材過程

2.1.1 化學(xué)成分

在失效的鉆頭體上取樣，進行化學(xué)成分分析檢驗，采用ARL-3460直讀光譜儀進行分析，結(jié)果見表1。

表1 失效鉆頭體的化學(xué)成分wt%

經(jīng)過檢驗，Q13115G-H64鉆頭材料化學(xué)成分符合技術(shù)要求。

2.1.2 非金屬夾雜物檢驗

在失效的鉆頭體上取樣，利用SEM觀察了縱剖面的夾雜物，如圖5所示，在試樣上觀察到不同形態(tài)和尺寸的夾雜物。如圖5（a）所示的尺寸約12um的顆粒狀夾雜物，能譜分析為MgO和Al2O3復(fù)合氧化物。此外還有點鏈狀夾雜，如圖5（b），為CaS和Al2O3夾雜物，長度在20um左右，而寬度約4um。通過SEM分析，試樣縱剖面上觀察到的夾雜物主要是氧化物夾雜，在夾雜物周圍也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋，即鉆頭試樣疲勞破壞并不是由這些夾雜物引起的。那么非金屬夾雜物含量符合技術(shù)要求。

圖5 夾雜物分析SEM照片

2.1.3 金相組織

使用線切割技術(shù)和切割機取Q13115GH64鉆頭表層部位的橫向和縱向試樣，采用自動式砂輪機對試樣進行粗磨，分別用1號、3號、6號、8號金相砂紙進行精磨，置于絨布拋光機上拋光，再用4%的硝酸酒精進行著色，分別放于100×和500×電子光學(xué)顯微鏡下進行組織檢測，鉆頭金相組織見圖6。

從金相組織分析表明，Q13115G-H64鉆頭，表面細針狀和隱針狀馬氏體增加了表面硬度，少量的顆粒狀碳化物使工件具有極高的耐磨性，同時心部組織的板條馬氏體細小，均勻，具有極好的綜合機械性能，滿足鉆頭極大的疲勞及沖擊應(yīng)力。通過上述三項檢測得出，軋材在嚴(yán)格控制化學(xué)成分的同時，需控制夾雜物形態(tài)、尺寸及數(shù)量從而提高純凈度，并改善帶狀組織特征以促進纖維組織均勻化。

圖6 鉆頭試樣金相顯微組織

2.2 鍛造過程

2.2.1 Q13115G-H64鉆頭鍛造工藝

棒材是由連鑄φ200圓坯鍛造成φ120，鍛造壓縮比為Y拔=F前/F后=D2前/D2后=2.8，鍛造溫度1150℃-1200℃，從室溫加熱到鍛造溫度需時間≥40min，終鍛溫度900℃-1000℃，隨即砂埋保溫。

2.2.2 鉆頭體原材料φ120棒材酸洗檢測

對鉆頭體的原材料φ120棒材進行了酸洗，結(jié)果見圖7。

圖7 鉆頭體原材料Φ120棒材酸洗圖

樣片經(jīng)酸洗發(fā)現(xiàn)，有明顯的枝狀晶組織及中心疏松現(xiàn)象。表明壓縮比過小，φ120棒材用中頻爐加熱鍛造成鉆頭毛坯時，鉆頭的大頭部位幾乎未發(fā)生變形，鑄態(tài)組織并未完全消除，遺留棒材中。

2.2.3 解決方法

（1）增大鍛造過程壓縮比消除遺留在棒材中鑄態(tài)組織。

（2）鍛造鉆頭毛坯時為了防止組織粗大，須降低鍛造時的溫度和終鍛溫度。那么縮短加熱時間可以達到目的。

2.3 機加工過程分析

2.3.1 Q13115G-H64鉆頭體產(chǎn)品圖如圖8所示

2.3.2 機加工過程控制重要性

圓滑的過渡倒角，可以防止淬火過程由于高的應(yīng)力集中而萌生淬火裂紋，從而影響鉆頭的壽命。另外，較深的機加工刀口通常也是引起淬火過程開裂，從而降低疲勞壽命，所以控制表面機加工精度也顯的非常重要。最后，合適的過盈量選擇比較重要，因為過盈量過小，會導(dǎo)致固齒力不足，鉆頭受熱時壓力減小，易造成合金柱齒脫落導(dǎo)致鉆頭失效；而過盈量過大，其基體孔壁壓力過高，會引起鉆頭體的疲勞裂痕，同樣造成鉆頭早期失效。

經(jīng)過分析Q13115G-H64鉆頭機加工工藝符合上述要求。

2.3.3 Q13115G-H64鉆頭需嚴(yán)格控制的工藝點及其設(shè)備改進點

加工工藝時必須控制好以下幾點：

圖8 Q13115G-H64鉆頭體產(chǎn)品圖

（1）中心孔粗糙度(2)倒角粗糙度(3)過渡圓弧光滑度(4)花鍵齒寬及位置度(5)碳層車除干凈、加工面平整、角度正確（6）合金孔尺寸精度及形位公差（7）熱鑲齒溫度控制及壓縫控制。

齒孔精加工時，設(shè)備必須在5軸加工中心上一次性鉆鉸成形，可極大的保證齒孔的精度和光潔度。

2.4 滲碳及后續(xù)熱處理過程分析

2.4.1 滲碳工藝分析

（1）Q13115G-H64滲碳工藝

Q13115G-H64鉆頭滲碳深度為1.7mm，碳濃度0.7-0.75%，工件不能出現(xiàn)明顯的斷網(wǎng)狀和連續(xù)網(wǎng)狀及大塊片狀的碳化物。定時的進行爐膛的清理，保證滲碳時的氣氛循環(huán)，對工作爐膛進行碳濃度檢測等。

（2）滲碳工藝需要嚴(yán)格防止的三點：

a防止碳濃度過高或過低：隨著碳濃度過高，工件表面出現(xiàn)塊狀粗大的碳化物或網(wǎng)狀碳化物。由于這種硬脆組織產(chǎn)生，使?jié)B碳層的韌性急劇下降。并且淬火時形成高碳馬氏體，在磨削時容易出現(xiàn)磨削裂紋。相反，要是碳濃度過低，就失去了滲碳的意義。

b防止?jié)B碳后表面局部貧碳

c防止?jié)B碳濃度加劇過度：產(chǎn)生此缺陷后造成表里相當(dāng)大的內(nèi)應(yīng)力，在淬火過程中或磨削過程中產(chǎn)生裂紋或剝落現(xiàn)象。

2.4.2 熱處理工藝分析

鉆頭要達到預(yù)期的性能，熱處理是最重要的一環(huán)。不僅要達到鉆頭體需要的硬度，而且需要在此硬度條件下獲得良好的組織性能，有足夠的韌性和強度，同時降低回火脆性。

(1)Q13115G-H64鉆頭的熱處理工藝曲線如圖9所示。

圖9 Q13115G-H64鉆頭熱處理工藝曲線

（2）熱處理工藝需嚴(yán)格控制以下四點：

a毛坯穩(wěn)定化處理：其目的是為消除機加工應(yīng)力，避免熱處理產(chǎn)生肉眼看不到的微裂紋。

b預(yù)熱：防止淬火時的急速加熱導(dǎo)致組織改變。

c淬火加熱：可以大幅度提高鉆頭的強度，韌性，耐磨性以及疲勞強度，從而提高鉆頭使用壽命。

d回火：提高組織穩(wěn)定性，調(diào)整鉆頭力學(xué)性能，消除內(nèi)應(yīng)力，防止回火脆性。

3 結(jié)論

綜合上述分析，對于提高Q13115G-H64鉆頭疲勞壽命，需從軋材、鍛造、熱處理和機加工等各個環(huán)節(jié)進行綜合控制。軋材在嚴(yán)格控制化學(xué)成分的同時，需控制夾雜物形態(tài)、尺寸及數(shù)量從而提高純凈度，并改善帶狀組織特征以促進纖維組織均勻化。鍛造過程通過變形溫度和變形量控制以避免部分區(qū)域晶粒粗化。機加工要控制表面質(zhì)量保證避免出現(xiàn)不合理的應(yīng)力集中。滲碳和后續(xù)熱處理工藝保證滲碳層與基體的合理強韌性匹配。而就各個工序作用而言，滲碳和后續(xù)熱處理工藝控制對于改善疲勞壽命影響最為顯著。

[1]劉雅政，閆永明，周樂育.提高釬具鋼疲勞壽命的質(zhì)量綜合控制研究[C].2011全國釬鋼釬具會議論文集：167-174.

[2]艾彬.23CrNi3Mo鋼在鑿巖鉆具中的應(yīng)用[C].2011全國釬鋼釬具會議論文集：217-221.

[3]周宛如，陶大堯，于懷君.鍛工工藝學(xué)96新版[M].北京：中國勞動出版社，1996.3.

[4]龍潛.球齒釬頭用鋼的研究[C].2011全國釬鋼釬具會議論文集：235-241.