重型钎杆的工艺探索及选材

重型钎杆的工艺探索及选材摘要从金相组织、强度和韧性、经济效益三方面综合分析研究了FF-710、23CrNi3Mo等多种材料，得到了适合制造重型钎杆的专用新钢种——18CrNi3MoV和新的热处理工艺：渗碳—高温回火—淬火—低温回火，使重型钎杆的使用寿命有了明显的提高，大大缩短了与国外产品的差距。叙词重型钎杆材料选择热处理工艺1引言由于钎杆使用过程中工作条件比较恶劣，对钎杆的强度和韧性、耐磨性以及疲劳强度等有较高的要求。因此，在钎杆的设计制造过程中，首先要解决的问题是选择合适的钢种；其次是冷、热加工性能、热处理工艺及成本等。为了生产出高质量的钎杆，必须严格控制选材、加工成形和热处理等各个环节。其中，选材与热处理尤为重要，它们相互制约，材质决定了热处理工艺，反过来热处理效果又成了选材的依据。2从金相组织角度调整工艺及选材开始时主要采用FF-710钢。该钢属高强度钢，已广泛用于钎头制造领域。根据该钢材的性能和特点，最初用它试制重型钎杆时，热处理工艺为：渗碳—正火—低温回火，所得的金相组织如图1。图1a表示粗大针片状马氏体和大量残余奥氏体组成的渗碳层组织，图1b为以粗大上贝氏体为主加下贝氏体和板条状马氏体组成的心部组织。图1渗碳层和心部的金相组织(400×)但钎杆试用效果很不理想，早期脆性断裂情况严重，使用寿命普遍较短。经金相分析，认为与晶粒粗大及心部上贝氏体组织粗大所引起的组织结构的方向性有关。针对上述问题，重新调整热处理工艺，在渗碳后增加高温回火工序，目的是使渗碳后所形成的粗大组织分解，析出碳化物以便在随后的正火过程中起到阻断组织遗传及细化晶粒的作用。经采用渗碳—高温回火—正火—低温回火后，晶粒得到细化，组织结构得到一定程度的改善，钎杆寿命有所提高。但与国外产品相比，寿命仍然很低。我们认为根本原因是钎杆正火后心部所获得的上贝氏体组织其综合机械性能较差。要使钎杆疲劳寿命大幅度提高，就必须用淬火的方式，使低碳板条状马氏体取代上贝氏体组织，因此将热处理工艺调整为：渗碳—高温回火—淬火—低温回火。同时为确保淬火质量，我们采用了目前国际上较先进的淬火剂。经现场使用，钎杆的寿命有较大提高，但早期脆性断裂情况仍时有发生，寿命长短差距较大。3从硬度角度调整工艺及选材对失效钎杆进行分析，发现使用寿命与心部硬度有关。在确保钎杆整个横截面全部淬透(即心部全是马氏体)的情况下，钎杆的韧性与硬度有着直接的关系。硬度取决于钢材的化学成分，其中碳含量起决定性的作用。随着碳含量的增加，钎杆的硬度增大即强度提高而韧性降低。我们所使用的FF-710钢，碳含量为0.24%～0.30%，淬回火硬度为HRC46～52。数理统计表明：使用寿命低的钎杆其硬度大多偏高，而使用寿命高的钎杆其硬度反而偏低。可见钎杆强度有余、韧性不足是造成失效的主要原因。为解决这个问题，我们曾采用提高回火温度的方法来降低心部硬度，从而提高心部韧性，但效果并不好。原因是FF-710钢抗回火性强，当回火温度达到400℃以上时才能将心部硬度控制在HRC42～46之间，这时钎杆螺纹部位渗碳层表面硬度则大幅度降低，从HRC60以上降至HRC55以下，钎杆耐磨性能也大为降低，渗碳层剥落开裂，导致钎杆提前失效。显然提高回火温度的办法是不足取的。因此，我们最后放弃了FF-710而选用含碳量较低的23CrNi3Mo和20Cr2Ni4A钢来试制钎杆，热处理后经现场使用，钎杆寿命大幅度提高，尤其是后者提高得更多。4从经济效益角度调整工艺及选材20Cr2Ni4A钢制造的钎杆寿命虽高，但价格昂贵，且制造成本高(高温回火时间长，而且热成形后还需退火才能加工)，从经济效益角度来看还是把选材重点放在了23CrNi3Mo材料上；从强度和韧性角度考虑，经多次试验，最后将该材料碳含量定为0.18%；从工艺性能上考虑，适量加入合金元素钒，最后得到适合制造钎杆的专用新钢种18CrNi3MoV，其化学成分见表1。经热处理(渗碳—高温回火—淬火—低温回火)后，金相组织如图2。图2a是由细针片状马氏体和少量残余奥氏体组成的渗碳层，图2b是由板条状回火马氏体组成的心部组织。心部硬度在HRC42～46之间，强度韧性得到最佳配合，其力学性能见表2。并且该钢勿需退火即可机加工，高温回火时间也大为缩短。表1元素CMnSiPSCrNiMoV含量(%)0.180.380.290.010.0141.052.880.230.06表2屈服极限(MPa)抗拉强度(MPa)延伸率(%)收缩率(%)冲击韧性(J/mm2)82094020591478309502069147图2渗碳层和心部的金相组织(400×)518CrNi3MoV钢钎杆的现场试验(1)钻机推进压力：10MPa冲击压力：13MPa旋转压力：5MPa(2)岩石硬度：f=12～14(3)钎杆规格：45×3.66数量：20支(4)实验结果：20支平均进尺1031.5m，其中1支早期断裂，3支从螺纹根部断裂，16支因螺纹磨损正常报废。6结论大量的实验和理论分析，18CrNi3MoV钢的综合性能非常理想：(1)金相组织形态好，表面耐磨性较理想，心部韧性较好；(2)工艺简单，且质量稳定；(3)现场使用证明：综合机械性能优良，寿命长，大大缩短了与国外(尤其是瑞典)重型钎杆的差距；(4)原材料成本低、市场潜力大。