H22錐體連接釬桿質(zhì)量問題分析及對策

王筑生，張吉舟

（貴陽特殊鋼有限責任公司，貴州 貴陽 550005）

H22錐體連接釬桿質(zhì)量問題分析及對策

王筑生，張吉舟

（貴陽特殊鋼有限責任公司，貴州 貴陽 550005）

對影響H22中空鋼和錐形釬桿（俗稱：成品釬）質(zhì)量的因素，本文從全面質(zhì)量管理的理念進行比較系統(tǒng)的分析，即從“人、機、料、法、環(huán)”五個方面進行質(zhì)量問題分析，并介紹了相關(guān)的理念和實踐經(jīng)驗，提出了對策，為正確地認識和處理中空鋼（成品釬）的質(zhì)量問題和產(chǎn)品開發(fā)提供參考。

中空鋼；成品釬；質(zhì)量對策

1 前言

H22錐形釬桿（俗稱：成品釬）是中國市場上最廣泛使用的鑿巖釬桿（用量≥85%）。由于H22成品釬是細長桿件，其主要制造工藝是在H22中空鋼的基礎(chǔ)上，絕大多數(shù)只進行少量局部的熱加工（釬肩）和熱處理（釬尾）即可：成品釬早期失效（斷裂、炸頂、堆頂?shù)龋┎课患扔袩峒庸ず蜔崽幚聿课?，也有非熱加工和非熱處理部位；顯然同步分析影響中空鋼和成品釬質(zhì)量的因素，對于解決成品釬的質(zhì)量問題是合理的。本文從全面質(zhì)量管理的概念進行比較系統(tǒng)的分析，即從“人、機、料、法、環(huán)”五個方面進行質(zhì)量問題分析，并提出對策。

2 人員的影響因素

這涉及到四方面的人：中空鋼生產(chǎn)者；成品釬制造者；經(jīng)銷商；鑿巖機操作者（即成品釬最終使用者）。

（1）中空鋼生產(chǎn)者：主要包括企業(yè)的中空鋼生產(chǎn)人員，如煉鋼人員、軋鋼人員、鉆深孔人員、抽芯人員等。

煉鋼人員：影響鋼坯成份的準確控制和均勻性、鋼的純凈度、低倍組織。

軋鋼人員：影響中空鋼軋材的幾何尺寸、直線度、硬度、內(nèi)在組織性能。

鉆孔人員：影響中空鋼的芯孔尺寸及中空鋼內(nèi)壁質(zhì)量。

抽芯人員：影響中空鋼的內(nèi)壁質(zhì)量。

（2）成品釬制造者：主要包括企業(yè)的成品釬制造人員，如定尺下料人員、熱加工（鍛造）人員、機加工人員、熱處理人員、防腐包裝人員等。

成品釬制造者影響熱加工質(zhì)量、熱處理質(zhì)量、配合尺寸、防腐效果等。

（3）經(jīng)銷商：根據(jù)市場需求、特別是自身的利益，引導生產(chǎn)者和使用者，所反映的質(zhì)量問題，可能有一些主觀性。

（4）使用者：由于鑿巖工作環(huán)境很差、巖石性能變化也大，正確地操作、使用可以反映產(chǎn)品真實的制造質(zhì)量狀況；否則，最好的產(chǎn)品也會得到較差的使用效果。

3 設(shè)備的影響因素

這涉及到三方面的設(shè)備：中空鋼生產(chǎn)設(shè)備；成品釬生產(chǎn)設(shè)備；鑿巖機設(shè)備。

（1）中空鋼生產(chǎn)設(shè)備：包括煉鋼設(shè)備、軋鋼設(shè)備、鉆深孔設(shè)備、抽芯設(shè)備等。生產(chǎn)設(shè)備不同，可以得到不同工藝的中空鋼：①鉆孔法；②鑄管法；③熱穿熱拔（或熱軋、冷拔）法等；同類工藝方法中，設(shè)備檔次的差異對產(chǎn)品質(zhì)量也有影響。

（2）成品釬生產(chǎn)設(shè)備：生產(chǎn)設(shè)備的差異影響產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

（3）鑿巖機設(shè)備：型號不同，產(chǎn)生的沖擊功（或能量）不同，從而導致產(chǎn)品受到的沖擊力不同，這是影響產(chǎn)品質(zhì)量（使用壽命）很重要的因素之一。

4 原料的影響因素

它涉及到兩方面的原料：中空鋼生產(chǎn)用的煉鋼原料（廢鋼、生鐵等），成品釬生產(chǎn)用的中空鋼材料。

（1）煉鋼用原料：①用廢鋼生產(chǎn)中空鋼純凈度不及用鐵水生產(chǎn)的中空鋼；②用分選后的廢鋼比不分選廢鋼的純凈度好。

（2）中空鋼材料：成份主要有95CrMo、55SiMnMo、8Cr等中空鋼。成份不同，則熱處理工藝不同、組織和性能也不同；中空鋼材料的純凈度、低倍組織、壓縮比不同，則中空鋼材料的質(zhì)量和質(zhì)量穩(wěn)定性不同。

5 方法的影響因素

這涉及到三方面：中空鋼生產(chǎn)方法；成品釬生產(chǎn)方法；鑿巖方法。

5.1 中空鋼生產(chǎn)方法

按成形工藝方法分，主要有鉆孔法、鑄管法、熱穿熱拔（或）熱軋、冷拔等中空鋼。

鉆孔法是世界上生產(chǎn)中空鋼的最先進方法；

鑄管法是中國特色的生產(chǎn)方法，內(nèi)襯管起到的最重要作用是：強化內(nèi)壁和防腐；

熱穿熱軋可以得到最好的中空鋼幾何尺寸，特別是帶芯拔制，可以部分減小熱穿內(nèi)螺旋線的影響，質(zhì)量穩(wěn)定性較好是它的特點。

5.2 成品釬生產(chǎn)方法

（1）成品釬由于是細長桿件，通常采用在軋材基礎(chǔ)上局部熱處理方式，強化與鑿巖機配合部位—釬尾，確保釬尾端部硬度合適：受到鑿巖機沖擊時，不堆頂、不炸頂。整體熱處理無論從工藝成本，還是工藝可行性都較難。細長桿件批量（幾十支/批）整體熱處理的最大問題是彎曲，熱處理達到較高硬度（≥40HRC）后，基本上成為彈簧，很難矯直！單支整體熱處理，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)量低。

（2）55SiMnMo中空鋼對溫度敏感，不易實現(xiàn)控溫軋制。目前，由于55SiMnMo軋材硬度一般在30HRC左右，硬度偏低，通常許多成品釬生產(chǎn)者，通過單支中頻感應(yīng)正火來消除（或減少）成品釬制造中的熱加工影響和提高桿體（中空鋼）的組織性能，效果明顯，市場反映：單支連續(xù)中頻感應(yīng) （整體）正火55SiMnMo成品釬的使用壽命較好。但是批量生產(chǎn)能力有限，≤300噸/月。

5.3 鑿巖方法

鑿巖機按動力介質(zhì)分為兩類：氣動鑿巖機、液壓鑿巖機。對不同鑿巖機，同樣大小的沖擊功施加給釬桿的力不同：液壓鑿巖機作用力小、持續(xù)時間長，氣動鑿巖機作用力大、持續(xù)時間短。顯然，氣動鑿巖機對釬桿的傷害大！由于成本和方便性的顯著優(yōu)勢，絕大部分成品釬使用氣動鑿巖機，國內(nèi)100%使用氣動鑿巖機。

鑿巖機功率越大，鑿巖速度越快，同時對釬桿施加的力越大、釬桿的消耗也越多。過去用于H25較大規(guī)格成品釬的YT28鑿巖機，現(xiàn)在已經(jīng)成為H22規(guī)格成品釬的主力機型；過去一個工作面使用1~2臺鑿巖機，現(xiàn)在使用10多臺鑿巖機；過去打3米以上的孔使用2~3支的套釬、以減少彎曲應(yīng)力的影響，現(xiàn)在多數(shù)只使用1支釬桿。顯然，鑿巖方法的變化對H22規(guī)格成品釬（中空鋼）提出更高的技術(shù)、質(zhì)量要求！

6 環(huán)境的影響因素

這涉及到兩方面：成品釬的供需環(huán)境（市場）；成品釬的鑿巖環(huán)境。

（1）供需環(huán)境（市場）：當供不應(yīng)求時，經(jīng)銷商可以容忍許多質(zhì)量問題；否則質(zhì)量異議增多，并且可能以點代面。由于成品釬市場的規(guī)模不大，成品釬市場的經(jīng)銷商彼此的聯(lián)系較多，容易跟風。

（2）鑿巖環(huán)境：巖石的狀況（硬度、可鉆性等）直接影響釬桿的使用壽命。同一等級的產(chǎn)品，在不同地方，使用效果不同；同一地方，不同掘進深度，使用效果也會不同；特別是當巖石性質(zhì)變化較大，鑿巖機操作參數(shù)不隨之變化時，也會明顯地影響使用效果；當使用10多臺鑿巖機時，鑿巖機工作噪聲巨大，鑿巖機操作者是難以有好心情的，操作不易規(guī)范！

7 鑿巖的基本理論及知識簡介

（1）沖擊鑿巖中，釬桿傳遞鑿巖機的沖擊功（形成壓應(yīng)力），通過釬頭作用于巖石后，一部分沖擊功破碎巖石（有用功），一部分沖擊功反向（無用功）回傳（形成拉應(yīng)力），因此，釬桿的受力形式主要為拉-壓應(yīng)力疲勞。由于釬桿是細長桿件，工作中易彎曲形成彎曲力（弓外是拉應(yīng)力、弓內(nèi)是壓應(yīng)力），彎曲應(yīng)力≤最大壓應(yīng)力的18%。

（2）釬桿在使用中必須通水，沖洗鑿巖孔中的碎渣（粉），以提高鑿巖效果、并且降低粉塵（環(huán)保）。而使用的水一般是呈酸性的，因此，釬桿的疲勞形式為應(yīng)力腐蝕疲勞，而且當裂紋形成后，水有時還可能在裂紋前端起到楔子作用，加速裂紋的擴展。

（3）力的變化對釬桿的疲勞壽命影響很大：疲勞壽命損傷與力的8.3次方成比例。變幅循環(huán)疲勞線性累積損傷方程式為

式中n——材料在第i階載荷作用下的循環(huán)次數(shù)

N——材料（對應(yīng)S-N曲線）在第i階載荷作用下的斷裂循環(huán)周次（疲勞壽命）。

式中：m=8.3 C=1300MPa

例如：根據(jù)上式計算應(yīng)力的增加引起疲勞壽命損傷的對應(yīng)變化結(jié)果見表1。

表1

拉-壓疲勞中，壓應(yīng)力可能引發(fā)炸頂（尾端硬度高或有明顯缺陷）、堆頂 （尾端硬度低），還可能加強了裂紋前端水的楔子作用；拉應(yīng)力則主要擴展（或撕開）裂紋。

由于最大的彎曲應(yīng)力是最大壓應(yīng)力的18%，則疲勞壽命損傷的對應(yīng)變化計算結(jié)果是：3.95倍、即疲勞壽命分別是原來的1/3.95=25%，可見鑿巖機操作者不規(guī)范操作引起的彎曲應(yīng)力也會極大地損傷疲勞壽命！貴鋼的現(xiàn)場鑿巖試驗有這樣的結(jié)果：同樣的材質(zhì)和工藝的成品釬，其疲勞壽命，2.5米長度的釬桿，礦山開采使用為180米左右，4.0米長度的釬桿，在隧道工程使用為90米左右。

（4）根據(jù)貴陽特殊鋼有限責任公司與長沙礦冶研究院的共同研究結(jié)果：實際鑿巖釬桿的應(yīng)力歷程由對應(yīng)于每次沖擊的一系列應(yīng)力波串構(gòu)成（如圖1所示）。單次沖擊H22成品釬產(chǎn)生的應(yīng)力波串中主要的應(yīng)力有：2個壓應(yīng)力峰和1個拉應(yīng)力峰。平均最大壓應(yīng)力為230MPa；平均最大拉應(yīng)力＜最大壓應(yīng)力。

圖1 沖擊鑿巖時，釬桿中產(chǎn)生的應(yīng)力波形

（5）YT28鑿巖機的沖擊功≥76焦耳，YT24鑿巖機的沖擊功≥67焦耳。氣動鑿巖機的沖擊頻率34Hz（即34次/秒），釬桿受到的最大力與鑿巖機沖擊功成比例。對于固定的沖擊力，顯然，釬桿橫截面越大，則受到的應(yīng)力（即單位面積受力）越小。因此YT28鑿巖機對H22成品釬產(chǎn)生的拉-壓應(yīng)力明顯大于YT24鑿巖機，對成品釬而言，同樣規(guī)格、同樣質(zhì)量（性能）的釬桿，其使用壽命，采用較小功率的YT24鑿巖機應(yīng)該比采用較大功率的YT28鑿巖機長。

（6）根據(jù)能量守恒原理：沖擊功=巖石破碎吸收功（有用功）+反向回傳功（無用功）。

顯然，當鑿巖效率（巖石破碎吸收功/沖擊功）越高，則反向回傳功越小，也就是釬桿受到的拉應(yīng)力越小。當巖石很軟時，沖擊功可以遠大于巖石破碎吸收功，反向回傳功就會越大，則釬桿受到的拉應(yīng)力越大；空打時，沖擊功幾乎全部沿釬桿返回，釬桿受到的拉應(yīng)力最大，并且多次往返，因此，釬桿受到的傷害最大！所以，為了有效地提高釬桿的使用壽命，①釬桿必須有合適的推進力，以保證釬桿的頭部與巖石緊密接觸，并且不彎曲，以便減少并防止空打；②釬桿的使用功率應(yīng)與巖石軟硬匹配：巖石硬，使用大功率；巖石軟，減小功率；否則，多余的功率越大，會產(chǎn)生更大的拉應(yīng)力、縮短釬桿的使用壽命！顯然YT28鑿巖機打軟巖石，釬桿使用壽命容易受到損害！大量使用YT28鑿巖機的后果是釬桿消耗量的增加！

（7）釬桿的疲勞壽命由以下等式組成：

總疲勞壽命=臨界裂紋的形成壽命+裂紋的擴展壽命

斷裂力學理論告訴我們，對于特定的材料（中空鋼）和熱處理工藝及使用條件，裂紋的擴展壽命基本是確定的，顯然臨界裂紋的形成壽命就是影響總疲勞壽命的重要因素。實踐發(fā)現(xiàn)，具有同樣大小疲勞區(qū)域的失效釬桿，使用壽命可以相差10%~50%，說明臨界裂紋形成的壽命是總疲勞壽命中非常重要的一部分。

（8）目前的釬桿失效大多數(shù)（＞90%）是內(nèi)孔疲勞，說明釬桿內(nèi)孔首先形成臨界裂紋，因此，腐蝕疲勞就是我們解決釬桿疲勞失效的重點問題。釬桿的內(nèi)孔必須要強化、防腐處理，避免使用前就有微裂紋存在，以延緩臨界裂紋的形成時間（壽命）。

貴鋼已有的鑿巖試驗表明：加內(nèi)襯管的55SiMnMo成品釬使用壽命比不加管的高50%-100%，即內(nèi)襯管很好地延緩了臨界裂紋形成。

（9）現(xiàn)有的研究表明，鑿巖釬桿釬肩前部的應(yīng)力大于釬桿中部應(yīng)力。因此，局部熱加工或局部熱處理所產(chǎn)生的熱影響部位與釬桿最大應(yīng)力區(qū)域必須錯開。

（10）理論和實踐表明：合金元素多的中空鋼疲勞壽命優(yōu)于合金元素少的中空鋼，即55SiMnMo＞95CrMo＞8Cr。在一定的硬度范圍，純凈度很高的金屬材料，應(yīng)力疲勞強度與硬度成正比關(guān)系；同時，金屬材料的缺口敏感性也與硬度成正比關(guān)系；純凈度很高的金屬材料工藝上很難實現(xiàn)、成本也高；因此，金屬材料的硬度必須適當控制，否則金屬材料應(yīng)力疲勞時容易早期斷裂；不同金屬材料的最優(yōu)應(yīng)力疲勞性能應(yīng)該有不同的硬度控制點（或區(qū)域）。

55SiMnMo中空鋼理想的組織是粒狀貝氏體，理想的硬度是34~37HRC；當55SiMnMo中空鋼的硬度≥38HRC時，會出現(xiàn)下貝氏體（非理想組織）；當55SiMnMo中空鋼高溫（≥600℃）回火時，會出現(xiàn)回火貝氏體（非理想組織），回火溫度不宜過高。下貝氏體或回火貝氏體的疲勞性能都低于粒狀貝氏體。市場反映，整體正火的55SiMnMo釬桿穩(wěn)定性比局部熱處理的55SiMnMo釬桿好，說明通過整體正火55SiMnMo釬桿的桿體硬度比軋材狀態(tài) （27~31HRC）得到提高 （34~37HRC），并且55SiMnMo釬桿熱加工 （釬肩）中產(chǎn)生的局部熱影響區(qū)的組織也得到細化改善。

（11）國外的Z708成品釬使用壽命是300-800米。Sandvik也推出了滲碳成品釬，但是，由于性價比問題，在中國市場沒有推廣。Sandvik的釬桿（包括重型釬）主要采用“磷化+掛蠟”的防腐處理方式。

（12）釬桿進行表面拋丸處理很有好處：一方面清理表面，為后續(xù)表面防腐處理（浸油、磷化、掛蠟、噴漆等）奠定基礎(chǔ)；另一方面表面得到強化處理，形成穩(wěn)定的表面壓應(yīng)力，可抵消部分拉應(yīng)力、增加表面臨界裂紋的形成壽命。

8 中空鋼（成品釬）存在的主要問題

8.1 中空鋼存在的主要問題

（1）55SiMnMo 軋 制 硬 度 低 （30HRC）；軋制中空鋼時，現(xiàn)有冷床冷卻中空鋼，很難滿足H22的55SiMnMo中空鋼控冷達到理想性能的要求：足夠的冷卻時間（目的：保證理想的空冷工藝完成（硬度：34~37HRC、金相組織：粒狀貝氏體）、中空鋼平直、成捆熱收集時不再變形彎曲），又要使中空鋼與冷床齒條接觸時間短（目的：單支中空鋼不出現(xiàn)紅黑相間的不均勻冷卻現(xiàn)象）。

（2）鑄管法中空鋼的基體性能穩(wěn)定性差。

（3）連鑄坯鉆孔后，內(nèi)孔壁部分還存在疏松缺陷，導致在后續(xù)加熱軋制中空鋼時，缺陷處氧化后形成先天的不可焊合缺陷（或稱微裂紋），軋制成H22中空鋼時這些微裂紋繼續(xù)保留。這些微裂紋縮短臨界裂紋的形成時間，導致中空鋼質(zhì)量不穩(wěn)定。

（4）打頭砍斷芯材的抽芯方式，當芯材比55SiMnMo硬度高時，會導致芯材斷頭抽芯過程中劃傷內(nèi)孔壁，如遇夾雜物則暴露為微裂紋。

（5）中國的中空鋼與山德維克的中空鋼相比，生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品還有差距。

（6）國外的H22中空鋼主要采用Z708（即 40SiMnCrNiMo）鋼，國內(nèi)還在開發(fā)中，正在推廣。

（7）國內(nèi)的中空鋼管理還需細化，以使中空鋼的質(zhì)量波動減少。

8.2 成品釬存在的主要問題

（1）芯孔防腐處理效果差：a.浸油的方法，只在鑿巖使用前起防銹作用，使用時，高壓水將油沖掉；b.表面噴漆的，則芯孔沒有防腐作用，這些情況與現(xiàn)在以內(nèi)疲勞斷裂為主的失效形式相對應(yīng)！c.鍛造釬肩處的芯孔偏小，不利于芯孔防腐處理鹽浴回火后，部分清洗不凈的殘留鹽會對芯孔產(chǎn)生腐蝕。

（2）釬肩鍛造、局部熱處理產(chǎn)生一個熱過渡區(qū)，對這個熱過渡區(qū)的研究和處理還需進一步深入；

（3）成品釬制造工序仍是手工或一個半自動化狀況，存在質(zhì)量波動的隱患；

（4）55SiMnMo成品釬現(xiàn)在主要進行局部感應(yīng)正火處理，如果整體感應(yīng)正火處理，不僅改善過渡區(qū)，而且可以提高釬桿的桿體硬度，從而提高桿體疲勞強度、提高成品釬的質(zhì)量穩(wěn)定性。但是，整體感應(yīng)正火處理成本增高、產(chǎn)量也不高。

9 對策

9.1 中空鋼對策

（1）貴鋼基本實現(xiàn)山德維克式的中空鋼生產(chǎn)工藝方式，剩下的主要差別就是軋鋼方向和加熱爐，經(jīng)過不斷努力，中空鋼幾何尺寸的控制精度和控冷軋制效果將會與山德維克相同。

（2）縮小中空鋼化學成份控制范圍，提高中空鋼的純凈度，提高中空鋼低倍級別，提高中空鋼鋼水的質(zhì)量穩(wěn)定性；

（3）加強細化（連鑄坯分類、頭坯分選、低倍分級等）管理，產(chǎn)品質(zhì)量按軋批號受控、跟蹤，提高中空鋼鋼材的質(zhì)量穩(wěn)定性；

（4）特優(yōu)中空鋼采用“鉆孔坯+鋼管”工藝，強化芯孔內(nèi)壁，提高釬桿的抗腐蝕疲勞性能；

（5）55SiMnMo控冷工藝優(yōu)化，努力使軋材中空鋼硬度提高到33HRC~37HRC之間，提高釬桿桿體的抗疲勞性能；

（6）加強鉆孔工藝管理，減少偏心鉆孔坯，提高中空鋼幾何尺寸的控制精度。

（7）控制好中空鋼用芯材的質(zhì)量，確保不出現(xiàn)中空鋼抽芯斷裂、內(nèi)孔劃傷問題，確保抽芯成材率和內(nèi)孔質(zhì)量。

（8）努力提高中空鋼控軋水平，提高幾何尺寸高級精度的合格率；努力提高中空鋼控軋、控冷水平，提高硬度、組織高級標準的合格率。

（9）加快 H22 的 Z708（即 40SiMnCrNiMo）等高級中空鋼的開發(fā)和推廣。

9.2 成品釬對策

（1）實施更有效的內(nèi)孔防腐工藝，特別對特優(yōu)釬應(yīng)實施“磷化+掛蠟”的防腐工藝，提高成品釬的抗腐蝕疲勞性能；

（2）建立單支釬桿感應(yīng)正火連續(xù)生產(chǎn)線，建立完善55SiMnMo性能的手段。

（3）積極推動自動生產(chǎn)線，盡量減少半自動及人工引起的產(chǎn)品質(zhì)量波動；

（4）對直接用戶、重點經(jīng)銷商進行持續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤和專門技術(shù)服務(wù)，準確掌握產(chǎn)品市場質(zhì)量信息，不斷完善產(chǎn)品的質(zhì)量和品種；

（5）每年至少組織一次產(chǎn)品現(xiàn)場鑿巖試驗，對比產(chǎn)品質(zhì)量，完善產(chǎn)品工藝；

（6）積極開展中空鋼、成品釬研究和分析工作，開展“產(chǎn)、學、研”合作，不斷縮小與山德維克的差距；

（7）細化中空鋼的質(zhì)量，通過滿足不同中空鋼用戶的需求，促進中空鋼產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平的提高。

10 結(jié)束語

對于螺紋釬桿（重型釬）及所用大規(guī)格中空鋼，由于螺紋釬桿的使用方式（多支、螺紋連接）和熱處理方式（多支、整體熱處理）與成品釬的使用方式（單支、局部熱處理）明顯不同，可在H22中空鋼（成品釬）工作的基礎(chǔ)上，深入研究根據(jù)其特點另行提出分析和對策。

TD421.2+5 文獻標識碼：B