鉆孔法與熱穿熱軋法8Cr中空鋼制作釬桿的使用比較

唐文龍，于嘉君，張吉舟，姜鳳，龍鴻飛，李萬祿

（首鋼貴陽特殊鋼有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550005）

0 前言

國外現(xiàn)行中空鋼熱軋工藝普遍采用機(jī)械鉆孔法生產(chǎn)中空鋼材，這種制作中空鋼的技術(shù)工藝，經(jīng)歷長期工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐，已經(jīng)進(jìn)入一個完全現(xiàn)代化的生產(chǎn)階段[1]。與此同時，我國建立了一些具有先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)裝備的釬具專業(yè)化生產(chǎn)線。國內(nèi)各制造廠在錐體釬桿用鋼的鋼號（8Cr、95CrMo、55SiMnMo、40SiMnCrNiMo、23CrNi3Mo 等）、 冶煉工藝方法和軋制工藝（鑄管法、熱穿熱軋法、鉆孔法）均不相同，生產(chǎn)工藝流程的機(jī)械化與自動化程度有所不同，其中部分中小企業(yè)主要使用熱穿熱軋法工藝生產(chǎn)H22和H25中空鋼材（采用55SiM-nMo），加工成鑿巖釬桿[2，3]。

在沖擊式鑿巖中，釬桿是最容易損壞的工件。釬桿的早期失效不僅影響鑿巖的順利進(jìn)行和危及操作人員的安全，而且增加鑿巖作業(yè)時間，降低鑿巖效率，同時消耗大量的優(yōu)質(zhì)鋼材，釬桿的早期失效還在一定程度上限制高效率鑿巖機(jī)和新采掘方法的應(yīng)用和發(fā)展[4-5]。因此，本文選用8Cr釬具用鋼采用兩種工藝生產(chǎn)H22中空鋼材，經(jīng)相同制釬工藝制造錐體釬桿，用于礦山鑿巖，比較使用壽命和質(zhì)量，經(jīng)過失效分析研究，可對釬具用鋼的選擇，優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)工藝，最大限度地發(fā)掘材料的潛力，提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

材料為8Cr釬具用鋼，分別使用鉆孔法與熱穿熱軋法工藝生產(chǎn)H22中空鋼原材料，該鋼種的化學(xué)成分見表1。

將鉆孔法與熱穿熱軋法工藝生產(chǎn)的8Cr-H22中空鋼原材料，經(jīng)過相同的制釬及熱處理工藝和表面工藝處理，使用YT28型氣腿式鑿巖機(jī)，在巖石普氏硬度系數(shù)為f12～f16的鐵礦鑿巖，記錄釬桿使用進(jìn)尺和切取失效樣。

表1

選取失效樣進(jìn)行檢驗(yàn)對比分析研究，對失效樣進(jìn)行宏觀斷口觀察分析，運(yùn)用線切割機(jī)對失效樣進(jìn)行縱向解剖，選取一半縱向解剖失效樣酸洗，即在70%鹽酸溶液中沸煮1小時之后清洗，及時吹干，檢查失效部位表面和芯孔的疲勞裂紋或缺陷，用高清數(shù)碼相機(jī)對試樣拍照。將未酸洗的另一半縱剖樣切取試樣，經(jīng)過粗磨、細(xì)磨、精磨、拋光制成金相試樣后，用4%的硝酸酒精溶液浸蝕，使用VHE-1000E顯微鏡觀察和分析失效位置的顯微組織，用HRC-150洛式硬度計(jì)檢測試樣的表面和芯部硬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 材質(zhì)8Cr、規(guī)格H22-2500 mm錐體釬桿礦山鑿巖

鉆孔法和熱穿熱軋法工藝釬桿鑿巖進(jìn)尺結(jié)果，如表2所示。鉆孔法和熱穿熱軋法釬桿平均使用壽命分別為173.9m、43.8m，前者是后者使用壽命的4倍。

表2 釬桿鑿巖使用壽命

鉆孔法釬桿主要在外表面形成裂紋源，其中1#和2#釬桿因梢尖斷裂及修磨梢尖使用，主要為梢尖早期斷裂，釬桿長度達(dá)不到炮孔深度設(shè)計(jì)要求而停用；3#和4#釬桿分別在距離尾柄端面104mm、34mm處外疲勞斷裂；5#釬桿在距離尾柄端面322mm桿體上外疲勞斷裂。

熱穿熱軋法釬桿主要在芯孔表面形成裂紋源，其中1#、3#、5#釬桿為桿體早期破斷（裂紋源形成于芯孔表面）；2#釬桿在距離尾柄端面104mm處早期外疲勞斷裂；4#釬桿在距離尾柄端面116mm桿體芯孔表面早期內(nèi)疲勞斷裂。

2.2 失效分析

2.2.1 鉆孔法工藝失效樣

（1）3#失效樣檢驗(yàn)分析

宏觀斷口分析：早期外疲勞斷裂，疲勞源起源于棱角與圓弧過渡結(jié)合處，如圖1所示。

圖1 3#釬桿失效樣斷口

圖2 斷口微觀分析

斷口微觀分析：斷口面硬度HRC33.5-34.5，斷口表面輕微脫碳，壁中組織較均勻且無網(wǎng)狀碳化物，見圖2。裂紋源起源于釬肩與尾柄過渡圓弧結(jié)合棱角上，該斷口處外表面存在碰損是形成裂紋源，導(dǎo)致早期斷裂的主要原因。

（2）4#失效樣檢驗(yàn)分析

宏觀斷口分析：早期外疲勞斷裂，裂紋源起源于淬火加熱過渡區(qū)的棱角上，見圖3。

微觀斷口分析

斷口面硬度HRC29-30.5，斷口棱表面缺陷 及外力使得組織變形，壁中組織存在較少細(xì)小碳化物，見圖4。該處斷口外表面存在缺陷及組織變形是形成裂紋源導(dǎo)致斷裂的主要原因。

圖3 4#釬桿失效樣

圖4 微觀斷口分析

（3）5#失效樣檢驗(yàn)分析

（a）宏觀斷口分析：內(nèi)疲勞斷裂，疲勞源起源于芯孔表面，見圖5。

（b）酸洗低倍觀察

芯孔表面：靠近斷口附近存在一條明顯的橫向小裂紋，其余各處存在少量腐蝕坑，見圖6。

（c）微觀斷口分析

斷口硬度HRC31.5-32.5，失效形式為內(nèi)疲勞斷裂，酸洗，低倍觀察，靠近斷口存在腐蝕坑和裂紋，芯孔表面在使用過程中礦水應(yīng)力腐蝕形成蝕坑裂紋是導(dǎo)致斷裂的主要原因，見圖7。

2.2.2 熱穿熱軋法工藝失效樣

（1）3#失效樣檢驗(yàn)分析

a.宏觀斷口分析：失效方式為破斷，裂紋源起源于芯孔表面，沿著芯孔螺旋線方向斷裂，見圖8。

圖5 5#釬桿失效樣

圖6 酸洗斷口失效樣

圖7 微觀斷口分析

b.酸洗低倍觀察

芯孔表面：芯孔表面質(zhì)量很差，沿螺旋線方向出現(xiàn)大量深且長的裂紋，其中數(shù)條裂紋已經(jīng)擴(kuò)展到基體上，見圖9。

c.微觀斷口分析

斷口處芯部硬度HRC27-28，裂紋源起源于芯孔表面螺旋線方向，芯孔表面裂紋及脫碳，中空鋼原材料螺旋線裂紋及脫碳導(dǎo)致釬桿早期破斷，見圖10。

（2）2#失效樣檢驗(yàn)分析

宏觀斷口分析：早期外疲勞斷裂，疲勞源起源于上下領(lǐng)盤模壓合飛邊棱上。

圖8 3#釬桿失效樣

圖9 酸洗斷口失效樣

圖10 微觀斷口分析

微觀斷口分析：斷口面硬度HRC27.5-29，裂紋兩側(cè)顯微組織無脫碳。失效方式為早期外疲勞斷裂，疲勞源起源于上下領(lǐng)盤模壓合飛邊棱上，棱角上及靠近棱處機(jī)械碰損形成裂紋，是導(dǎo)致較早斷裂的主要原因，見圖11。

（3）5#失效樣檢驗(yàn)分析

（a）宏觀斷口分析：失效方式為破斷，裂紋源起源于芯孔表面，可見多級臺階，見圖12。

圖11 微觀斷口分析

（b）酸洗低倍觀察

芯孔表面：芯孔表面質(zhì)量很差。沿螺旋線方向出現(xiàn)大量深且長的裂紋，其中數(shù)條裂紋已經(jīng)擴(kuò)展到基體上，見圖13。

（c）微觀斷口分析

斷口處芯部硬度HRC31-32.5，失效形式為破斷，裂紋源起源于芯孔表面螺旋線裂紋。芯孔表面裂紋及脫碳，中空鋼原材料內(nèi)孔螺旋線裂紋及脫碳導(dǎo)致早期斷裂，見圖14。

3 討論

圖14 微觀斷口分析

（1）機(jī)械鉆孔法工藝中空鋼，用規(guī)格較大方坯經(jīng)機(jī)械鉆孔去除坯料心部組織較差部分及坯料表面扒皮處理，以及較大軋制壓縮比進(jìn)行軋制中空鋼等技術(shù)工藝，故該法生產(chǎn)的中空鋼原材料質(zhì)量更優(yōu)。對于巖層硬度高，分布不均勻的破碎巖層帶，應(yīng)當(dāng)選用較優(yōu)的鉆孔法工藝釬桿，其使用質(zhì)量高且性能穩(wěn)定。

（2）熱穿熱軋法工藝中空鋼，形狀規(guī)整、尺寸控制較好、芯孔圓正和工藝生產(chǎn)成本低，但是在穿孔和減徑過程中易在芯孔表面形成大量螺旋線微細(xì)裂紋及脫碳，制成的釬桿性能和穩(wěn)定性較差，適用于巖層硬度低，分布較為均勻的鑿巖環(huán)境。

（3）有些廠家熱穿熱軋工藝生產(chǎn)的釬桿，因釬桿熱穿熱軋工藝及芯孔表面質(zhì)量的不同，在同一個鑿巖環(huán)境條件下使用壽命差異較大，波動性也較大，基本上都在釬桿芯孔表面形成裂紋源，裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致較早斷裂，圖15所示釬桿壽命較高（80～160 m），圖16所示釬桿壽命較低（40～70m）。若熱穿熱軋法工藝不合理，制造的釬桿使用壽命低，將造成優(yōu)質(zhì)鋼材的浪費(fèi)。

4 結(jié)論

（1）8Cr鋼坯料經(jīng)過鉆孔法和熱穿熱軋法工藝生產(chǎn)中空鋼制成釬桿使用，鉆孔法工藝釬桿比熱穿熱軋法工藝釬桿的使用壽命高。

圖15 釬桿酸洗低倍形貌

圖16 釬桿酸洗低倍形貌

（2）熱穿熱軋法工藝釬桿芯孔表面形成了大量的螺旋線微細(xì)裂紋及脫碳，嚴(yán)重降低了釬桿的使用壽命和質(zhì)量。

（3）在鑿巖過程中，釬桿尾柄圓弧過渡區(qū)與鑿巖機(jī)轉(zhuǎn)動套筒匹配不合理，轉(zhuǎn)動套筒直線內(nèi)倒角反復(fù)沖擊釬肩根部，圓弧過渡區(qū)棱角容易碰損，加劇應(yīng)力集中易于形成裂紋導(dǎo)致較早斷裂。

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