陳東梅

（中國五礦魯中礦業(yè)有限公司機(jī)械廠，山東萊蕪271113）

0 引言

在鑿巖過程中，由于巖石的不均勻性，孔底的不規(guī)則度，釬桿的彎曲，打擊的偏心，系統(tǒng)的振動(dòng)，釬頭和孔底接觸情況的變化，鑿巖機(jī)活塞打擊的不均勻性，沖洗水的影響，釬桿中彎曲波和上次打擊殘留波的疊加，波的衰減和耗散一系列因素的影響和交互作用【1】，釬桿的服役條件相當(dāng)復(fù)雜、惡劣，直接影響其使用壽命，并導(dǎo)致釬桿的最終失效。其失效形式主要有：連接螺紋的磨損，釬桿的疲勞破斷和脆性破斷，其中破斷是影響國產(chǎn)釬桿壽命的最主要的失效形式，主要發(fā)生在螺紋部位和螺紋與桿體的過渡區(qū)域。

R32鑿巖釬桿的早期失效，不僅影響生產(chǎn)的順利進(jìn)行和危及操作人員的安全，并增加鑿巖作業(yè)的輔助時(shí)間，降低了鑿巖效率，同時(shí)還消耗了大量的優(yōu)質(zhì)鋼材。因此研究R32鑿巖釬桿早期失效的防治措施，一直是礦山鑿巖工具的一個(gè)重要課題。

1 釬桿連接螺紋的磨損

在鑿巖工作時(shí)，釬尾、釬桿、釬頭組成鑿巖釬具組，釬具組各部件之間的螺紋連接上緊后，由于螺紋加工誤差，它們之間仍然存在間隙。在高頻沖擊作用下，內(nèi)外螺紋之間產(chǎn)生高頻撞擊。在其接觸點(diǎn)（線或面）上，形成磨損坑。即使螺紋的加工精度高，在高頻沖擊應(yīng)力作用下，也會(huì)在兩個(gè)螺紋表面之間發(fā)生小振幅的相對(duì)振動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)磨損。當(dāng)釬桿螺紋精度不高時(shí)，振動(dòng)磨損將加速，當(dāng)磨損速率大于疲勞裂紋形成速率和裂紋擴(kuò)展速率時(shí)，螺紋之間間隙擴(kuò)大，磨損加快，產(chǎn)生沖擊磨損。導(dǎo)致釬桿連接螺紋的磨損失效。

2 釬桿的疲勞破斷和脆性破斷

2.1 疲勞破斷

釬桿的疲勞破斷發(fā)生在連接螺紋、桿體和螺紋與桿體的過渡區(qū)三個(gè)部位，大多發(fā)生在螺紋根部。因?yàn)樵阼弾r時(shí)，是由數(shù)支釬桿組合起來的釬桿組，而螺紋根部則如懸臂梁的支點(diǎn)，且端面相對(duì)較小，又有切削加工的刀痕和熱處理引起的應(yīng)力集中，同時(shí)承受復(fù)合循環(huán)應(yīng)力和工作介質(zhì)的腐蝕作用。更重要的是在應(yīng)力傳遞過程中，該部位的截面變化引起應(yīng)力波幅的劇烈變化。因而釬桿螺紋根部的受力條件最差。

釬桿的疲勞破斷是由于疲勞源引起的，鑿巖時(shí)在高頻復(fù)合循環(huán)應(yīng)力作用下，形成疲勞裂紋，裂紋逐步擴(kuò)大，最終造成釬桿失效。釬桿疲勞破斷可以分為如下三個(gè)階段：

（1）在循環(huán)應(yīng)力作用下，釬桿的局部缺陷產(chǎn)生疲勞源，疲勞源轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒂^裂紋，微觀裂紋逐步發(fā)展，形成宏觀裂紋。

（2）宏觀裂紋發(fā)展，并使釬桿截面有效面積減小。

（3）當(dāng)釬桿截面有效面積減到不足以承受工作載荷時(shí)，便發(fā)生脆性斷裂，釬桿失效。

釬桿的疲勞源起源于其本身的薄弱部位。如：內(nèi)部的非金屬夾雜物、磨損、表面缺陷、裂紋、傷痕、脫碳、腐蝕等。特別是應(yīng)力腐蝕最容易產(chǎn)生疲勞源。

2.2 釬桿的脆性破斷

由于釬桿在缺陷處，如夾雜、偏析、壓痕、折疊、錘傷或斷面變化過于劇烈、以及熱處理操作控制不當(dāng)，產(chǎn)生過熱、過燒以及硬度過高等，造成釬桿強(qiáng)度低、塑性差或者應(yīng)力集中嚴(yán)重，使用中裂紋發(fā)展極為迅速，產(chǎn)生釬桿脆性破斷，導(dǎo)致釬桿鑿巖壽命很低，早期失效。

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟，網(wǎng)站和軟件開發(fā)在近年來快速發(fā)展，并由原來傳統(tǒng)的單機(jī)應(yīng)用架構(gòu)演變?yōu)榉植际郊簯?yīng)用架構(gòu)，零散的數(shù)據(jù)經(jīng)過分布式應(yīng)用架構(gòu)體系集中統(tǒng)一管理，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息爆炸的時(shí)代帶來的效應(yīng)就是大數(shù)據(jù)技術(shù)的產(chǎn)出，進(jìn)而推動(dòng)分布式計(jì)算和未來智慧城市的發(fā)展。

3 釬桿發(fā)生早期失效的原因分析

圖1、圖2是我廠在2011年8月某批生產(chǎn)的R32鑿巖釬桿在井下生產(chǎn)過程中發(fā)生的早期斷裂(脆性破斷)金相檢測圖。從圖中可以判斷釬桿的斷裂原因與熱處理不當(dāng)有關(guān)。根據(jù)表面碳含量，鋼中合金元素及淬火溫度，滲碳層的淬火組織大致分為兩類。一類是表面無碳化物，自表面至中心，依次由高碳馬氏體+殘留奧氏體逐漸過渡到低碳馬氏體。另一類在表層有細(xì)小顆粒狀碳化物，自表面至中沁滲碳層組織依次為：細(xì)小針狀馬氏體+小量殘留奧氏體+細(xì)小粒狀碳化物→高碳馬氏體+殘留奧氏體→逐步過渡到低碳馬氏體。如圖1，釬桿的滲碳層顯微組織為馬氏體且滲碳層表面有裂紋。說明滲碳后慢冷時(shí)組織不均勻即致，滲碳后室冷時(shí)，在表層馬氏體下面保留了一層未轉(zhuǎn)變的奧氏體，后者在隨后的冷卻過程中或室溫停留過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使?jié)B層完成共折轉(zhuǎn)變，或加快冷卻速度，使?jié)B層全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體加殘留奧氏體。圖1和圖2表明，淬火時(shí)釬桿中心點(diǎn)的冷速達(dá)到或超過該釬鋼的臨界淬火速度，整個(gè)桿體從表到里都淬成了馬氏體。桿體外表面硬度為HRC57，基體硬度為HRC55。使釬桿的淬硬層硬度和釬桿的心部硬度整體偏高，釬桿抗沖擊性能降低，引起釬桿早期斷裂。

圖1 滲碳層組織，馬氏體，有裂紋。500X

圖2 基體組織，馬氏體。500X

4 防止釬桿早期失效的措施

4.1 原材料的控制

中空鋼材是制造鑿巖釬桿的主要原料，其質(zhì)量直接影響到釬桿的使用壽命。國外中空鋼材生產(chǎn)從廢鋼進(jìn)料時(shí)就開始實(shí)施控制，對(duì)冶煉廢鋼進(jìn)行選料、嚴(yán)格區(qū)分廢鋼成分、去除影響使用壽命的元素。在生產(chǎn)中嚴(yán)格控制氣體含量和夾雜物等級(jí)，保證鋼材的內(nèi)在質(zhì)量。由于受生產(chǎn)工藝及設(shè)備工藝等多種因素制約，國內(nèi)在鋼材質(zhì)量提高方面略有滯后。

要生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的鑿巖釬桿，就必須有優(yōu)質(zhì)的原材料。鑿巖釬桿用中空鋼材要求幾何尺寸規(guī)范，鋼材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、表面硬度、外表面及釬桿內(nèi)孔脫碳都有嚴(yán)格規(guī)定。也就是說，用作R32鑿巖釬桿的中空鋼材，應(yīng)該具有雜質(zhì)含量少，幾何尺寸規(guī)范，抗拉強(qiáng)度大和微觀組織結(jié)構(gòu)合理的特點(diǎn)。我機(jī)械廠用R32中空鋼材化學(xué)成分，機(jī)械性能和幾何尺寸見表1，表2，表3。

表1 化學(xué)成分

表2 尺寸外形及允許偏差mm

表3 機(jī)械性能

鋼材表面不得有裂紋，結(jié)疤，夾雜，折迭缺陷。表面上的局部缺陷應(yīng)予清除，清除深度從公稱尺寸算起。應(yīng)不大于該尺寸的公差；深度小于尺寸公差之半的個(gè)別劃痕、壓痕、麻點(diǎn)可不清除。

4.2 釬桿直線度的控制

釬桿的直線度對(duì)釬桿的使用壽命有重大影響。釬桿的直線度不好，會(huì)使釬桿在偏心狀態(tài)下工作，不但損失沖擊功，而且會(huì)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，增大釬桿疲勞破斷的幾率。在釬桿加工過程中我廠采用釬桿毛坯料和成品兩道校直工序。合格的中空鋼材進(jìn)廠后，首先下料，然后逐支進(jìn)行直線度檢測。對(duì)彎曲度超過規(guī)定的要進(jìn)行校直。校直工序采用63噸單柱校正壓裝液壓機(jī)，使釬桿的直線度嚴(yán)格控制在1mm/m范圍內(nèi)。通過控制兩端沖擊端面和螺紋軸線的垂直度，保證多支釬桿聯(lián)結(jié)的直線度，以降低釬桿組的彎曲度。

4.3 釬桿聯(lián)接螺紋的控制

聯(lián)接螺紋及過渡區(qū)域是釬桿的最薄弱環(huán)節(jié)，合理處理該部位結(jié)構(gòu)對(duì)提高釬桿使用壽命起到至關(guān)重要的作用。聯(lián)接螺紋的加工采用FFC-120型仿型車床，退刀槽及圓弧過渡處不得有刀痕之類的機(jī)加工缺陷，平滑過渡，以增加釬桿的柔性、減輕應(yīng)力集中。R32中深孔釬桿的螺紋的參數(shù)尺寸及結(jié)構(gòu)圖見圖3。

4.4 釬桿熱處理工藝控制

4.4.1 釬桿的熱處理工藝要求

恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚹軌蜃畲笙薅鹊匕l(fā)揮材料的潛力。35SiMnMoV中空鋼材采用滲碳，淬火工藝是合理的。滲碳處理能增加表面含碳量，經(jīng)過淬火可以顯著提高釬桿的抗彎、抗壓及接觸疲勞強(qiáng)度，同時(shí)使釬桿獲得高強(qiáng)度的表層和高韌性的心部相結(jié)合，且表層可獲得殘余壓應(yīng)力。通過對(duì)爐氣碳勢的控制達(dá)到對(duì)滲碳組織及其含碳量的控制。較細(xì)的表層及心部的晶粒度，可以增加釬桿整體的強(qiáng)韌性。因此，對(duì)釬桿的熱處理工藝要達(dá)到如下要求：

（1）滲碳層深度：（0.6-1.0）mm；滲碳濃度（0.8-1.0）%;

（2）釬桿螺紋表面硬度：HRC50-60；桿體表面硬度：HRC42-50；基體硬度：HRC35-45；

（3）表面晶粒度：9-11級(jí)；心部晶粒度：8-10級(jí)；

（4）滲碳后表層顯微組織：馬氏體+少量殘余奧氏體+少量粒狀碳化物；心部顯微組織：低碳馬氏體。

圖3 R32中深孔釬桿結(jié)構(gòu)圖

滲碳時(shí)碳勢過高，容易在滲層中形成大塊碳化物和網(wǎng)狀碳化物。這種形態(tài)碳化物的存在，使?jié)B層脆性增加、疲勞強(qiáng)度大大降低。所以，應(yīng)將碳濃度控制在（0.8-1.0）%，以避免網(wǎng)狀碳化物的出現(xiàn)，并且可以保證在滲碳層中存在微量的、彌散分布、圓整度較好的粒狀碳化物，滿足在韌性下降不多的前提下，進(jìn)一步提高強(qiáng)度和耐磨性。在滲碳層中無論是表層還是心部要存在少量的殘余奧氏體。殘余奧氏體是薄膜狀包裹在馬氏體邊界，能緩沖馬氏體領(lǐng)域產(chǎn)生的互相接觸碰撞，從而延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展。

4.4.2 釬桿的滲碳熱處理工藝

釬桿滲碳的工藝特點(diǎn)是，將釬桿在增碳的活性介質(zhì)（滲碳劑）中加熱到高溫（900-950℃），使碳原子滲入釬桿的表面，使釬桿表面含碳量增高，隨后通過淬火且低溫回火，使釬桿表層得到硬度較高的高碳馬氏體組織，而心部是硬度較低且具有良好強(qiáng)韌性的低碳馬氏體組織。在釬桿生產(chǎn)中通常以煤油作為滲碳介質(zhì)。普遍采用氣體滲碳法。

滲碳時(shí)，滲碳層深度是溫度和時(shí)間的函數(shù)。在同一滲碳溫度，滲層的深度隨著時(shí)間的延長而增加，但隨著時(shí)間的繼續(xù)增加，其滲層的增長速度越來越慢。滲碳溫度對(duì)滲碳擴(kuò)散速度影響最大，即滲碳溫度越高，其滲入速度越大，且溫度的升高對(duì)滲層深度的影響遠(yuǎn)比保溫時(shí)間的延長對(duì)滲層深度的作用強(qiáng)烈。

釬桿的滲碳過程受分解、吸收和擴(kuò)散三個(gè)過程的控制，并受三者的相互制約。為此在滲碳時(shí)必須選擇最佳的工藝操作。以得到良好的滲碳濃度、正常梯度和所需滲層深度的滲碳質(zhì)量。

4.4.3 釬桿的熱處理工藝流程

（1）釬桿滲碳采用105 kW氣體滲碳電阻爐，直徑600mm、有效深度1200mm。并安裝自動(dòng)碳控系統(tǒng)。用氧探頭檢測爐內(nèi)碳勢，兩段式熱電耦控溫。

（2）35SiMnMoV的Ac1為737℃，Ac3為816℃【3】，滲碳溫度為930±10℃，滲碳時(shí)間為2～4小時(shí)。具體執(zhí)行參數(shù)：滲碳溫度930℃；滲碳時(shí)間3h（即第一階段強(qiáng)滲階段時(shí)間為80分鐘；第二階段擴(kuò)散階段為50分鐘；第三階段降溫階段為50分鐘。以煤油為滲碳劑，根據(jù)滲碳的不同階段，滲碳濃度控制在0.8-1.0%范圍內(nèi)）；煤油寬度4。滲碳結(jié)束，釬桿出滲碳爐后在密閉容器中放置2分鐘以保證釬桿的均熱。

（3）滲碳后用功率為7.5 kW，直徑為1100mm的風(fēng)機(jī)，距離釬桿6米，對(duì)釬桿進(jìn)行風(fēng)冷淬火。風(fēng)冷淬火的時(shí)間為8～10分鐘。由于35SiMnMoV釬鋼的淬透性好，采用風(fēng)冷即可保證其淬透性。具體執(zhí)行參數(shù)：淬火溫度860℃；風(fēng)冷時(shí)間10分鐘。

（4）風(fēng)冷后再次對(duì)釬桿的螺紋部分進(jìn)行二次淬火，淬火溫度為870～890℃，回火溫度為400～500℃，回火時(shí)間為4～6小時(shí)。具體執(zhí)行參數(shù)：回火溫度420℃，回火時(shí)間4小時(shí)。

（5）釬桿回火后采用噴丸強(qiáng)化熱處理，以強(qiáng)化釬桿表面的壓應(yīng)力，提高釬桿表面的強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度。

（6）進(jìn)行第二次校直，更好的保證釬桿的直線度。

（7）二次校直后的釬桿整體進(jìn)行侵油，這樣有利于釬桿的表面和內(nèi)孔防腐，以延緩介質(zhì)的腐蝕作用對(duì)釬桿使用壽命的影響。

4.3.4 釬桿的熱處理工藝流程圖如下：

釬桿的熱處理工藝流程見圖4。

圖4 釬桿的熱處理工藝流程圖

5 R32鑿巖釬桿的井下實(shí)驗(yàn)效果驗(yàn)證

通過采取上述控制措施，我廠生產(chǎn)的R32鑿巖釬桿的使用壽命有了很大的提高。2011年12月份，到我公司小官莊鐵礦井下標(biāo)定，收集數(shù)據(jù)，表4是調(diào)查分析的結(jié)果。

表4 中深孔釬桿使用壽命統(tǒng)計(jì)

從表4的數(shù)據(jù)可以看出，中深孔釬桿的使用壽命明顯提高。通過調(diào)查沒有發(fā)生早期斷裂失效的釬桿。

6 結(jié)束語

通過對(duì)R32鑿巖釬桿的失效形式及早期失效的原因進(jìn)行分析，找出了引起R32鑿巖釬桿早期失效的主要原因并采取了必要的措施。通過井下實(shí)驗(yàn)效果數(shù)據(jù)，可以看出防止R32鑿巖釬桿早期失效的措施是有效的，而且大大提高了R32鑿巖釬桿的使用壽命。

[1]趙統(tǒng)武.沖擊鉆進(jìn)動(dòng)力學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996：186.

[2]GB/T1301-94，鑿巖釬桿用中空鋼[S].

[3]黎炳雄，趙長有等.釬具用鋼手冊[M].貴陽釬鋼研究所情報(bào)室，1999：30.