钻孔法与热穿热轧法8Cr中空钢制作钎杆的使用比较

2015-06-13唐文龙于嘉君张吉舟姜凤龙鸿飞李万禄

凿岩机械气动工具 2015年1期

唐文龙，于嘉君，张吉舟，姜凤，龙鸿飞，李万禄

（首钢贵阳特殊钢有限责任公司，贵州贵阳 550005）

0 前言

国外现行中空钢热轧工艺普遍采用机械钻孔法生产中空钢材，这种制作中空钢的技术工艺，经历长期工业生产实践，已经进入一个完全现代化的生产阶段[1]。与此同时，我国建立了一些具有先进技术和先进装备的钎具专业化生产线。国内各制造厂在锥体钎杆用钢的钢号（8Cr、95CrMo、55SiMnMo、40SiMnCrNiMo、23CrNi3Mo 等）、冶炼工艺方法和轧制工艺（铸管法、热穿热轧法、钻孔法）均不相同，生产工艺流程的机械化与自动化程度有所不同，其中部分中小企业主要使用热穿热轧法工艺生产H22和H25中空钢材（采用55SiM-nMo），加工成凿岩钎杆[2，3]。

在冲击式凿岩中，钎杆是最容易损坏的工件。钎杆的早期失效不仅影响凿岩的顺利进行和危及操作人员的安全，而且增加凿岩作业时间，降低凿岩效率，同时消耗大量的优质钢材，钎杆的早期失效还在一定程度上限制高效率凿岩机和新采掘方法的应用和发展[4-5]。因此，本文选用8Cr钎具用钢采用两种工艺生产H22中空钢材，经相同制钎工艺制造锥体钎杆，用于矿山凿岩，比较使用寿命和质量，经过失效分析研究，可对钎具用钢的选择，优化生产技术工艺，最大限度地发掘材料的潜力，提供指导。

1 试验材料与方法

材料为8Cr钎具用钢，分别使用钻孔法与热穿热轧法工艺生产H22中空钢原材料，该钢种的化学成分见表1。

将钻孔法与热穿热轧法工艺生产的8Cr-H22中空钢原材料，经过相同的制钎及热处理工艺和表面工艺处理，使用YT28型气腿式凿岩机，在岩石普氏硬度系数为f12～f16的铁矿凿岩，记录钎杆使用进尺和切取失效样。

表1

选取失效样进行检验对比分析研究，对失效样进行宏观断口观察分析，运用线切割机对失效样进行纵向解剖，选取一半纵向解剖失效样酸洗，即在70%盐酸溶液中沸煮1小时之后清洗，及时吹干，检查失效部位表面和芯孔的疲劳裂纹或缺陷，用高清数码相机对试样拍照。将未酸洗的另一半纵剖样切取试样，经过粗磨、细磨、精磨、抛光制成金相试样后，用4%的硝酸酒精溶液浸蚀，使用VHE-1000E显微镜观察和分析失效位置的显微组织，用HRC-150洛式硬度计检测试样的表面和芯部硬度。

2 试验结果与分析

2.1 材质8Cr、规格H22-2500 mm锥体钎杆矿山凿岩

钻孔法和热穿热轧法工艺钎杆凿岩进尺结果，如表2所示。钻孔法和热穿热轧法钎杆平均使用寿命分别为173.9m、43.8m，前者是后者使用寿命的4倍。

表2 钎杆凿岩使用寿命

钻孔法钎杆主要在外表面形成裂纹源，其中1#和2#钎杆因梢尖断裂及修磨梢尖使用，主要为梢尖早期断裂，钎杆长度达不到炮孔深度设计要求而停用；3#和4#钎杆分别在距离尾柄端面104mm、34mm处外疲劳断裂；5#钎杆在距离尾柄端面322mm杆体上外疲劳断裂。

热穿热轧法钎杆主要在芯孔表面形成裂纹源，其中1#、3#、5#钎杆为杆体早期破断（裂纹源形成于芯孔表面）；2#钎杆在距离尾柄端面104mm处早期外疲劳断裂；4#钎杆在距离尾柄端面116mm杆体芯孔表面早期内疲劳断裂。

2.2 失效分析

2.2.1 钻孔法工艺失效样

（1）3#失效样检验分析

宏观断口分析：早期外疲劳断裂，疲劳源起源于棱角与圆弧过渡结合处，如图1所示。

图1 3#钎杆失效样断口

图2 断口微观分析

断口微观分析：断口面硬度HRC33.5-34.5，断口表面轻微脱碳，壁中组织较均匀且无网状碳化物，见图2。裂纹源起源于钎肩与尾柄过渡圆弧结合棱角上，该断口处外表面存在碰损是形成裂纹源，导致早期断裂的主要原因。

（2）4#失效样检验分析

宏观断口分析：早期外疲劳断裂，裂纹源起源于淬火加热过渡区的棱角上，见图3。

微观断口分析

断口面硬度HRC29-30.5，断口棱表面缺陷及外力使得组织变形，壁中组织存在较少细小碳化物，见图4。该处断口外表面存在缺陷及组织变形是形成裂纹源导致断裂的主要原因。

图3 4#钎杆失效样

图4 微观断口分析

（3）5#失效样检验分析

（a）宏观断口分析：内疲劳断裂，疲劳源起源于芯孔表面，见图5。

（b）酸洗低倍观察

芯孔表面：靠近断口附近存在一条明显的横向小裂纹，其余各处存在少量腐蚀坑，见图6。

（c）微观断口分析

断口硬度HRC31.5-32.5，失效形式为内疲劳断裂，酸洗，低倍观察，靠近断口存在腐蚀坑和裂纹，芯孔表面在使用过程中矿水应力腐蚀形成蚀坑裂纹是导致断裂的主要原因，见图7。

2.2.2 热穿热轧法工艺失效样

（1）3#失效样检验分析

a.宏观断口分析：失效方式为破断，裂纹源起源于芯孔表面，沿着芯孔螺旋线方向断裂，见图8。

图5 5#钎杆失效样

图6 酸洗断口失效样

图7 微观断口分析

b.酸洗低倍观察

芯孔表面：芯孔表面质量很差，沿螺旋线方向出现大量深且长的裂纹，其中数条裂纹已经扩展到基体上，见图9。

c.微观断口分析

断口处芯部硬度HRC27-28，裂纹源起源于芯孔表面螺旋线方向，芯孔表面裂纹及脱碳，中空钢原材料螺旋线裂纹及脱碳导致钎杆早期破断，见图10。

（2）2#失效样检验分析

宏观断口分析：早期外疲劳断裂，疲劳源起源于上下领盘模压合飞边棱上。

图8 3#钎杆失效样

图9 酸洗断口失效样

图10 微观断口分析

微观断口分析：断口面硬度HRC27.5-29，裂纹两侧显微组织无脱碳。失效方式为早期外疲劳断裂，疲劳源起源于上下领盘模压合飞边棱上，棱角上及靠近棱处机械碰损形成裂纹，是导致较早断裂的主要原因，见图11。

（3）5#失效样检验分析

（a）宏观断口分析：失效方式为破断，裂纹源起源于芯孔表面，可见多级台阶，见图12。

图11 微观断口分析

（b）酸洗低倍观察

芯孔表面：芯孔表面质量很差。沿螺旋线方向出现大量深且长的裂纹，其中数条裂纹已经扩展到基体上，见图13。

（c）微观断口分析

断口处芯部硬度HRC31-32.5，失效形式为破断，裂纹源起源于芯孔表面螺旋线裂纹。芯孔表面裂纹及脱碳，中空钢原材料内孔螺旋线裂纹及脱碳导致早期断裂，见图14。

3 讨论

图14 微观断口分析

（1）机械钻孔法工艺中空钢，用规格较大方坯经机械钻孔去除坯料心部组织较差部分及坯料表面扒皮处理，以及较大轧制压缩比进行轧制中空钢等技术工艺，故该法生产的中空钢原材料质量更优。对于岩层硬度高，分布不均匀的破碎岩层带，应当选用较优的钻孔法工艺钎杆，其使用质量高且性能稳定。

（2）热穿热轧法工艺中空钢，形状规整、尺寸控制较好、芯孔圆正和工艺生产成本低，但是在穿孔和减径过程中易在芯孔表面形成大量螺旋线微细裂纹及脱碳，制成的钎杆性能和稳定性较差，适用于岩层硬度低，分布较为均匀的凿岩环境。

（3）有些厂家热穿热轧工艺生产的钎杆，因钎杆热穿热轧工艺及芯孔表面质量的不同，在同一个凿岩环境条件下使用寿命差异较大，波动性也较大，基本上都在钎杆芯孔表面形成裂纹源，裂纹扩展导致较早断裂，图15所示钎杆寿命较高（80～160 m），图16所示钎杆寿命较低（40～70m）。若热穿热轧法工艺不合理，制造的钎杆使用寿命低，将造成优质钢材的浪费。