重型釬桿的工藝探索及選材

1、重型釬桿的工藝探索及選材摘要從金相組織、強(qiáng)度和韌性、經(jīng)濟(jì)效益三方面綜合分析研究了FF-710、23CrNi3M。等多種材料，得到了適合制造重型釬桿的專用新鋼種一一18CrNi3MoV和新的熱處理工藝：滲碳一高溫回火一淬火一低溫回火，使重型釬桿的使用壽命有了明顯的提高，大大縮短了與國外產(chǎn)品的差距。敘詞重型釬桿材料選擇熱處理工藝1引言由于釬桿使用過程中工作條件比較惡劣，對釬桿的強(qiáng)度和韌性、耐磨性以及疲勞強(qiáng)度等有較高的要求。因此，在釬桿的設(shè)計制造過程中，首先要解決的問題是選擇合適的鋼種；其次是冷、熱加工性能、熱處理工藝及成本等。為了生產(chǎn)出高質(zhì)量的釬桿，必須嚴(yán)格控制選材、加工成形和熱處理等各個環(huán)節(jié)。其

2、中，選材與熱處理尤為重要，它們相互制約，材質(zhì)決定了熱處理工藝，反過來熱處理效果又成了選材的依據(jù)。2從金相組織角度調(diào)整工藝及選材開始時主要采用FF-710鋼。該鋼屬高強(qiáng)度鋼，已廣泛用于釬頭制造領(lǐng)域。根據(jù)該鋼材的性能和特點(diǎn)，最初用它試制重型釬桿時，熱處理工藝為：滲碳一正火一低溫回火，所得的金相組織如圖1。圖1a表示粗大針片狀馬氏體和大量殘余奧氏體組成的滲碳層組織，圖1b為以粗大上貝氏體為主加下貝氏體和板條狀馬氏體組成的心部組織。圖1滲碳層和心部的金相組織（400X）但釬桿試用效果很不理想，早期脆性斷裂情況嚴(yán)重，使用壽命普遍較短。經(jīng)金相分析，認(rèn)為與晶粒粗大及心部上貝氏體組織粗大所引起的組織結(jié)構(gòu)的方向

3、性有關(guān)。針對上述問題，重新調(diào)整熱處理工藝，在滲碳后增加高溫回火工序，目的是使?jié)B碳后所形成的粗大組織分解，析出碳化物以便在隨后的正火過程中起到阻斷組織遺傳及細(xì)化晶粒的作用。經(jīng)采用滲碳一高溫回火一正火一低溫回火后，晶粒得到細(xì)化，組織結(jié)構(gòu)得到一定程度的改善，釬桿壽命有所提高。但與國外產(chǎn)品相比，壽命仍然很低。我們認(rèn)為根本原因是釬桿正火后心部所獲得的上貝氏體組織其綜合機(jī)械性能較差。要使釬桿疲勞壽命大幅度提高，就必須用淬火的方式，使低碳板條狀馬氏體取代上貝氏體組織，因此將熱處理工藝調(diào)整為：滲碳一高溫回火一淬火一低溫回火。同時為確保淬火質(zhì)量，我們采用了目前國際上較先進(jìn)的淬火劑。經(jīng)現(xiàn)場使用，釬桿的壽命有較大提

4、高，但早期脆性斷裂情況仍時有發(fā)生，壽命長短差距較大。3從硬度角度調(diào)整工藝及選材對失效釬桿進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)使用壽命與心部硬度有關(guān)。在確保釬桿整個橫截面全部淬透（即心部全是馬氏體）的情況下，釬桿的韌性與硬度有著直接的關(guān)系。硬度取決于鋼材的化學(xué)成分，其中碳含量起決定性的作用。隨著碳含量的增加，釬桿的硬度增大即強(qiáng)度提高而韌性降低。我們所使用的FF-710鋼，碳含量為0.24%0.30%,淬回火硬度為HRC46H52o數(shù)理統(tǒng)計表明：使用壽命低的釬桿其硬度大多偏高，而使用壽命高的釬桿其硬度反而偏低。可見釬桿強(qiáng)度有余、韌性不足是造成失效的主要原因。為解決這個問題，我們曾采用提高回火溫度的方法來降低心部硬度，從

5、而提高心部韌性，但效果并不好。原因是FF-710鋼抗回火性強(qiáng)，當(dāng)回火溫度達(dá)到400C以上時才能將心部硬度控制在HRC42-46之間，這時釬桿螺紋部位滲碳層表面硬度則大幅度降低，從HRC60以上降至HRC55以下，釬桿耐磨性能也大為降低，滲碳層剝落開裂，導(dǎo)致釬桿提前失效。顯然提高回火溫度的辦法是不足取的。因此，我們最后放棄了FF-710而選用含碳量較低的23CrNi3Mo和20Cr2Ni4A鋼來試制釬桿，熱處理后經(jīng)現(xiàn)場使用，釬桿壽命大幅度提高，尤其是后者提高得更多。4從經(jīng)濟(jì)效益角度調(diào)整工藝及選材20Cr2Ni4A鋼制造的釬桿壽命雖高，但價格昂貴，且制造成本高（高溫回火時間長，而且熱成形后還需退火

6、才能加工），從經(jīng)濟(jì)效益角度來看還是把選材重點(diǎn)放在了23CrNi3Mo材料上；從強(qiáng)度和韌性角度考慮，經(jīng)多次試驗(yàn)，最后將該材料碳含量定為0.18%;從工藝性能上考慮，適量加入合金元素引，最后得到適合制造釬桿的專用新鋼種18CrNi3MoV,其化學(xué)成分見表1。經(jīng)熱處理（滲碳一高溫回火一淬火一低溫回火）后，金相組織如圖2。圖2a是由細(xì)針片狀馬氏體和少量殘余奧氏體組成的滲碳層，圖2b是由板條狀回火馬氏體組成的心部組織。心部硬度在HRC42-46之間，強(qiáng)度韌性得到最佳配合，其力學(xué)性能見表2。并且該鋼勿需退火即可機(jī)加工，高溫回火時間也大為縮短。表1元素CMnSiPSCrNiMoV含量（）0.180.380.290.010.0141.052.880.230.06表2屈服極限（MPa）抗拉弓雖度（MPa）延伸率（%）收縮率（%）沖擊韌性（J/mm2）82094020591478309502069147()(bp圖2滲碳層和心部的金相組織(400X)518CrNi3MoV鋼釬桿的現(xiàn)場試驗(yàn)(1)鉆機(jī)推進(jìn)壓力：10MPa沖擊壓力：13MPa旋轉(zhuǎn)壓力：5MPa(2)巖石硬度：f=1214(3)45X3.66數(shù)量：20支(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：20支平均進(jìn)尺1031.5m,其中1支早期斷裂，3支從螺紋根部斷裂，16支因螺紋磨損正常報廢。6結(jié)論大量的實(shí)驗(yàn)和理論分析，18CrNi3MoV鋼的綜合性