楊修建 肖剛 郝永成

一、前言

空氣錘鉆井技術(shù)兼容了空氣錘鉆井和沖擊回轉(zhuǎn)鉆井的優(yōu)勢，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。在空氣錘的實際使用過程中，井下鉆具斷裂失效的情況比較多，本文對某空氣錘鉆頭斷裂失效原因進行了分析。

鉆頭材質(zhì)為18CrNi3MoA，原設(shè)計打孔深度為16m，但是在打孔致6m時，出現(xiàn)鉆頭斷裂。斷裂失效鉆頭的實物見圖1。

圖1 失效鉆頭的斷裂面 ? ? ? ? 圖2 失效鉆頭側(cè)面結(jié)構(gòu)及剝落坑

鉆頭為橫斷面方向斷裂，由于斷裂后的持續(xù)工作，斷口面已經(jīng)被破壞，很難找出裂紋源。在鉆頭頸部及鉆頭齒根處有長鏈狀的剝落痕跡，見圖2標注處，同時斷口面未發(fā)現(xiàn)塑性變形區(qū)，初步推斷為疲勞斷裂。

二、鉆頭生產(chǎn)工藝流程

鉆頭的工藝流程：棒料鋼材退火→下料→平端面→粗鉆內(nèi)孔→靠?！周囃鈭A→粗車內(nèi)錐孔→锪半球形孔→精車內(nèi)錐孔→平長短→靠模半精車外圓→銑合金片槽→銑110°刃面→鉆水孔→銑排粉槽→磨合金片→打毛刺、清洗、配片→焊接→噴砂→磨20°20'錐面→精車裙部→磨110°刃面→細部修磨→成品檢查→滾字→錐孔噴涂軟金屬或裝襯墊→表面防銹處理（噴漆或包塑）→貼標簽 裝箱、入庫。

三、檢驗情況

1、化學成分分析

首先將斷裂鉆頭進行化學成分檢驗，結(jié)果見表1。

表1 鉆頭的化學成分 ? ? 單位：wt%

分析結(jié)果表明，鉆頭的化學成分符合技術(shù)要求。

2、非金屬夾雜物檢驗

在斷裂鉆頭上取樣，按GB/T10561的最大級別法，對鋼的縱向進行非金屬夾雜物檢驗與評級，非金屬夾雜物符合技術(shù)要求，結(jié)果見表2。

表2 鉆頭的非金屬夾雜物評級結(jié)果 ?單位：級

3、金相組織

在斷裂鉆頭橫向方向上取樣，經(jīng)磨制后、2%濃度的硝酸酒精腐蝕后觀看組織。在顯微鏡下看，鉆頭的內(nèi)外表面均有滲碳圈存在，滲碳深度約為2.0mm左右。鉆頭內(nèi)孔滲碳圈組織為馬氏體基體組織上分布有沿晶界封閉的滲碳體網(wǎng)絡(luò)，同時鉆頭外表面及齒根周邊、齒頭滲碳處組織為馬氏體基體組織上分布有沿晶界封閉的相當厚的滲碳體網(wǎng)絡(luò)，滲碳部位有回火馬氏體+滲碳體網(wǎng)+殘余奧氏體組織，見圖3。

圖3 鉆頭滲碳層的組織 ? ? ? ? ? 圖4 鉆頭中間部位的組織

在鉆頭的中間部位檢驗了組織及晶粒度，組織為回火馬氏體，晶粒度7級。組織情況見圖4。

四、原因分析及結(jié)論

根據(jù)鉆頭的生產(chǎn)工藝流程、外觀設(shè)計、使用情況及化學成分、非金屬夾雜物、金相組織和晶粒度檢驗結(jié)果看，造成鉆頭斷裂的主要原因有兩方面：

一是鉆頭設(shè)計有不足，即棱角太尖;

二是鉆頭滲碳及熱處理時因控制不當，造成滲碳層組織中有殘余奧氏體組織、封閉的且相當厚的滲碳體網(wǎng)。由于在晶界處滲碳體網(wǎng)的存在，降低了晶界間的連接作用，使晶界變脆，致使鉆頭在使用時，由于承受反復的沖擊載荷，將會在滲碳體網(wǎng)處首先出現(xiàn)裂紋，最終導致鉆頭的斷裂。