唐文龍，于嘉君，張吉舟，姜鳳，龍鴻飛，李萬祿

（首鋼貴陽特殊鋼有限責任公司，貴州 貴陽 550005）

0 前言

國外現(xiàn)行中空鋼熱軋工藝普遍采用機械鉆孔法生產(chǎn)中空鋼材，這種制作中空鋼的技術(shù)工藝，經(jīng)歷長期工業(yè)生產(chǎn)實踐，已經(jīng)進入一個完全現(xiàn)代化的生產(chǎn)階段[1]。與此同時，我國建立了一些具有先進技術(shù)和先進裝備的釬具專業(yè)化生產(chǎn)線。國內(nèi)各制造廠在錐體釬桿用鋼的鋼號（8Cr、95CrMo、55SiMnMo、40SiMnCrNiMo、23CrNi3Mo 等）、 冶煉工藝方法和軋制工藝（鑄管法、熱穿熱軋法、鉆孔法）均不相同，生產(chǎn)工藝流程的機械化與自動化程度有所不同，其中部分中小企業(yè)主要使用熱穿熱軋法工藝生產(chǎn)H22和H25中空鋼材（采用55SiM-nMo），加工成鑿巖釬桿[2，3]。

在沖擊式鑿巖中，釬桿是最容易損壞的工件。釬桿的早期失效不僅影響鑿巖的順利進行和危及操作人員的安全，而且增加鑿巖作業(yè)時間，降低鑿巖效率，同時消耗大量的優(yōu)質(zhì)鋼材，釬桿的早期失效還在一定程度上限制高效率鑿巖機和新采掘方法的應(yīng)用和發(fā)展[4-5]。因此，本文選用8Cr釬具用鋼采用兩種工藝生產(chǎn)H22中空鋼材，經(jīng)相同制釬工藝制造錐體釬桿，用于礦山鑿巖，比較使用壽命和質(zhì)量，經(jīng)過失效分析研究，可對釬具用鋼的選擇，優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)工藝，最大限度地發(fā)掘材料的潛力，提供指導(dǎo)。

1 試驗材料與方法

材料為8Cr釬具用鋼，分別使用鉆孔法與熱穿熱軋法工藝生產(chǎn)H22中空鋼原材料，該鋼種的化學(xué)成分見表1。

將鉆孔法與熱穿熱軋法工藝生產(chǎn)的8Cr-H22中空鋼原材料，經(jīng)過相同的制釬及熱處理工藝和表面工藝處理，使用YT28型氣腿式鑿巖機，在巖石普氏硬度系數(shù)為f12～f16的鐵礦鑿巖，記錄釬桿使用進尺和切取失效樣。

表1

選取失效樣進行檢驗對比分析研究，對失效樣進行宏觀斷口觀察分析，運用線切割機對失效樣進行縱向解剖，選取一半縱向解剖失效樣酸洗，即在70%鹽酸溶液中沸煮1小時之后清洗，及時吹干，檢查失效部位表面和芯孔的疲勞裂紋或缺陷，用高清數(shù)碼相機對試樣拍照。將未酸洗的另一半縱剖樣切取試樣，經(jīng)過粗磨、細磨、精磨、拋光制成金相試樣后，用4%的硝酸酒精溶液浸蝕，使用VHE-1000E顯微鏡觀察和分析失效位置的顯微組織，用HRC-150洛式硬度計檢測試樣的表面和芯部硬度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 材質(zhì)8Cr、規(guī)格H22-2500 mm錐體釬桿礦山鑿巖

鉆孔法和熱穿熱軋法工藝釬桿鑿巖進尺結(jié)果，如表2所示。鉆孔法和熱穿熱軋法釬桿平均使用壽命分別為173.9m、43.8m，前者是后者使用壽命的4倍。

表2 釬桿鑿巖使用壽命

鉆孔法釬桿主要在外表面形成裂紋源，其中1#和2#釬桿因梢尖斷裂及修磨梢尖使用，主要為梢尖早期斷裂，釬桿長度達不到炮孔深度設(shè)計要求而停用；3#和4#釬桿分別在距離尾柄端面104mm、34mm處外疲勞斷裂；5#釬桿在距離尾柄端面322mm桿體上外疲勞斷裂。

熱穿熱軋法釬桿主要在芯孔表面形成裂紋源，其中1#、3#、5#釬桿為桿體早期破斷（裂紋源形成于芯孔表面）；2#釬桿在距離尾柄端面104mm處早期外疲勞斷裂；4#釬桿在距離尾柄端面116mm桿體芯孔表面早期內(nèi)疲勞斷裂。

2.2 失效分析

2.2.1 鉆孔法工藝失效樣

（1）3#失效樣檢驗分析

宏觀斷口分析：早期外疲勞斷裂，疲勞源起源于棱角與圓弧過渡結(jié)合處，如圖1所示。

圖1 3#釬桿失效樣斷口

圖2 斷口微觀分析

斷口微觀分析：斷口面硬度HRC33.5-34.5，斷口表面輕微脫碳，壁中組織較均勻且無網(wǎng)狀碳化物，見圖2。裂紋源起源于釬肩與尾柄過渡圓弧結(jié)合棱角上，該斷口處外表面存在碰損是形成裂紋源，導(dǎo)致早期斷裂的主要原因。

（2）4#失效樣檢驗分析

宏觀斷口分析：早期外疲勞斷裂，裂紋源起源于淬火加熱過渡區(qū)的棱角上，見圖3。

微觀斷口分析

斷口面硬度HRC29-30.5，斷口棱表面缺陷 及外力使得組織變形，壁中組織存在較少細小碳化物，見圖4。該處斷口外表面存在缺陷及組織變形是形成裂紋源導(dǎo)致斷裂的主要原因。

圖3 4#釬桿失效樣

圖4 微觀斷口分析

（3）5#失效樣檢驗分析

（a）宏觀斷口分析：內(nèi)疲勞斷裂，疲勞源起源于芯孔表面，見圖5。

（b）酸洗低倍觀察

芯孔表面：靠近斷口附近存在一條明顯的橫向小裂紋，其余各處存在少量腐蝕坑，見圖6。

（c）微觀斷口分析

斷口硬度HRC31.5-32.5，失效形式為內(nèi)疲勞斷裂，酸洗，低倍觀察，靠近斷口存在腐蝕坑和裂紋，芯孔表面在使用過程中礦水應(yīng)力腐蝕形成蝕坑裂紋是導(dǎo)致斷裂的主要原因，見圖7。

2.2.2 熱穿熱軋法工藝失效樣

（1）3#失效樣檢驗分析

a.宏觀斷口分析：失效方式為破斷，裂紋源起源于芯孔表面，沿著芯孔螺旋線方向斷裂，見圖8。

圖5 5#釬桿失效樣

圖6 酸洗斷口失效樣

圖7 微觀斷口分析

b.酸洗低倍觀察

芯孔表面：芯孔表面質(zhì)量很差，沿螺旋線方向出現(xiàn)大量深且長的裂紋，其中數(shù)條裂紋已經(jīng)擴展到基體上，見圖9。

c.微觀斷口分析

斷口處芯部硬度HRC27-28，裂紋源起源于芯孔表面螺旋線方向，芯孔表面裂紋及脫碳，中空鋼原材料螺旋線裂紋及脫碳導(dǎo)致釬桿早期破斷，見圖10。

（2）2#失效樣檢驗分析

宏觀斷口分析：早期外疲勞斷裂，疲勞源起源于上下領(lǐng)盤模壓合飛邊棱上。

圖8 3#釬桿失效樣

圖9 酸洗斷口失效樣

圖10 微觀斷口分析

微觀斷口分析：斷口面硬度HRC27.5-29，裂紋兩側(cè)顯微組織無脫碳。失效方式為早期外疲勞斷裂，疲勞源起源于上下領(lǐng)盤模壓合飛邊棱上，棱角上及靠近棱處機械碰損形成裂紋，是導(dǎo)致較早斷裂的主要原因，見圖11。

（3）5#失效樣檢驗分析

（a）宏觀斷口分析：失效方式為破斷，裂紋源起源于芯孔表面，可見多級臺階，見圖12。

圖11 微觀斷口分析

（b）酸洗低倍觀察

芯孔表面：芯孔表面質(zhì)量很差。沿螺旋線方向出現(xiàn)大量深且長的裂紋，其中數(shù)條裂紋已經(jīng)擴展到基體上，見圖13。

（c）微觀斷口分析

斷口處芯部硬度HRC31-32.5，失效形式為破斷，裂紋源起源于芯孔表面螺旋線裂紋。芯孔表面裂紋及脫碳，中空鋼原材料內(nèi)孔螺旋線裂紋及脫碳導(dǎo)致早期斷裂，見圖14。

3 討論

圖14 微觀斷口分析

（1）機械鉆孔法工藝中空鋼，用規(guī)格較大方坯經(jīng)機械鉆孔去除坯料心部組織較差部分及坯料表面扒皮處理，以及較大軋制壓縮比進行軋制中空鋼等技術(shù)工藝，故該法生產(chǎn)的中空鋼原材料質(zhì)量更優(yōu)。對于巖層硬度高，分布不均勻的破碎巖層帶，應(yīng)當選用較優(yōu)的鉆孔法工藝釬桿，其使用質(zhì)量高且性能穩(wěn)定。

（2）熱穿熱軋法工藝中空鋼，形狀規(guī)整、尺寸控制較好、芯孔圓正和工藝生產(chǎn)成本低，但是在穿孔和減徑過程中易在芯孔表面形成大量螺旋線微細裂紋及脫碳，制成的釬桿性能和穩(wěn)定性較差，適用于巖層硬度低，分布較為均勻的鑿巖環(huán)境。

（3）有些廠家熱穿熱軋工藝生產(chǎn)的釬桿，因釬桿熱穿熱軋工藝及芯孔表面質(zhì)量的不同，在同一個鑿巖環(huán)境條件下使用壽命差異較大，波動性也較大，基本上都在釬桿芯孔表面形成裂紋源，裂紋擴展導(dǎo)致較早斷裂，圖15所示釬桿壽命較高（80～160 m），圖16所示釬桿壽命較低（40～70m）。若熱穿熱軋法工藝不合理，制造的釬桿使用壽命低，將造成優(yōu)質(zhì)鋼材的浪費。

4 結(jié)論

（1）8Cr鋼坯料經(jīng)過鉆孔法和熱穿熱軋法工藝生產(chǎn)中空鋼制成釬桿使用，鉆孔法工藝釬桿比熱穿熱軋法工藝釬桿的使用壽命高。

圖15 釬桿酸洗低倍形貌

圖16 釬桿酸洗低倍形貌

（2）熱穿熱軋法工藝釬桿芯孔表面形成了大量的螺旋線微細裂紋及脫碳，嚴重降低了釬桿的使用壽命和質(zhì)量。

（3）在鑿巖過程中，釬桿尾柄圓弧過渡區(qū)與鑿巖機轉(zhuǎn)動套筒匹配不合理，轉(zhuǎn)動套筒直線內(nèi)倒角反復(fù)沖擊釬肩根部，圓弧過渡區(qū)棱角容易碰損，加劇應(yīng)力集中易于形成裂紋導(dǎo)致較早斷裂。

[1]洪達靈，顧太和等.釬鋼與釬具[M].貴陽釬鋼研究所情報室，2000：186～187.

[2]胡銘，董鑫業(yè)等.中國釬鋼釬具工業(yè)發(fā)展歷程回顧[J].礦山機械，2010（02）.

[3]徐曙光.中空鋼軋制生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展與進步[J].特殊鋼，1992(05).

[4]王筑生，張吉舟.H22錐體連接釬桿質(zhì)量問題分析及對策[J].鑿巖機械氣動工具，2010（03）.

[5]張國櫸，劉榮湘，陳泓.鑿巖釬具的設(shè)計制造和選用[M].湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1988，52～53.