任光海

（首鋼貴陽特殊鋼有限責任公司，貴州 貴陽 550005）

0 前言

錐體連接釬桿通常是指22、25mm六角形中空鋼制做的釬桿， 適用于小型氣動鑿巖機或液壓鑿巖機的淺孔鑿巖作業(yè)。其頭部是圓錐體，與錐體連接釬頭相配合進行鑿巖作業(yè)。 目前我國小直徑淺孔鑿巖用的釬具產(chǎn)品大都是錐體釬桿。

我國是礦業(yè)大國，鉆爆法鑿巖技術與設備是礦業(yè)開采和基礎設施建設工程中的主要手段。 近年來，隨著鑿巖設備的技術進步，促進了鑿巖釬具業(yè)的發(fā)展。 目前我國生產(chǎn)釬具的企業(yè)已有200多家， 不僅形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模，產(chǎn)品品種也基本上滿足了礦業(yè)生產(chǎn)的需要。 但是，由于一些廠家生產(chǎn)設備和制造工藝較為落后，使用的中空鋼材質量較差，缺乏現(xiàn)代設計手段，致使產(chǎn)品質量不穩(wěn)定， 可靠性和使用壽命相對較低。為此，提高釬具使用壽命，對節(jié)省優(yōu)質鋼材和硬質合金，開發(fā)高技術高附加值產(chǎn)品，進而在國際釬具市場占據(jù)一定份額具有現(xiàn)實意義。

1 釬桿的失效形式

錐體連接釬桿早期損壞的形式主要有：領盤、桿體中部和釬梢下斷裂；釬具炸裂和堆頂；脆性破斷等。 其中疲勞斷裂是釬桿最常見的破壞形式。釬桿在工作過程中承受著沖擊、彎曲、腐蝕等的作用。 釬桿在多次反復應力作用下，由于損傷積累產(chǎn)生裂紋， 裂紋再擴展，經(jīng)過長期發(fā)展過程而形成釬桿的疲勞斷裂。 斷裂過程大體可分為三個階段：第一階段，在交變應力作用下，釬桿某些局部以滑移的方式產(chǎn)生塑性變形，出現(xiàn)微觀裂紋， 逐漸發(fā)展成宏觀裂紋；第二階段，隨著宏觀裂紋的發(fā)展，使釬桿有效截面積減??；第三階段，當釬桿截面減小到不足以承受相當于抗拉強度的應力時發(fā)生疲勞斷裂。小釬桿疲勞斷裂，表現(xiàn)為在釬桿水孔表面產(chǎn)生裂紋從內(nèi)表面向外發(fā)展，或者微裂紋產(chǎn)生于外表面向內(nèi)發(fā)展。脆性斷裂的釬桿在斷口處無疲勞裂紋而呈光亮的晶面狀態(tài)。其原因主要是釬桿在制造過程中存在局部缺陷，如存在夾雜物、斷面變化過于劇烈、鍛造時產(chǎn)生喇叭口、熱處理不當?shù)纫蛩刂率光F桿強度低、韌性差以及產(chǎn)生應力集中，使裂紋擴展快而引起釬桿早期斷裂。由于材質和熱處理不當易引起釬尾炸裂，小釬桿尾柄端硬度不足引起堆頂。 總之，目前我國釬桿質量與國外產(chǎn)品有較大差距，鑿巖使用壽命相差一倍以上。

為了提高釬桿的使用壽命，使尾柄和桿體、稍尖的硬度成梯度分布且使軟點最少化，我們通常采用正火，淬火+回火等熱處理手段。

2 材質與熱處理工藝

熱處理是將金屬在固態(tài)下通過加熱、保溫和冷卻等方式，改變其內(nèi)部組織， 從而獲得所需性能的一種工藝方法。熱處理與鑄造、鍛壓、焊接和切削加工等“成形”為目的加工方法不同，它只使金屬材料“變性”。它與其它加工工序一起，構成了零件的完整的加工過程。

熱處理方法很多， 常用的有整體熱處理（如退火、正火、淬火、回火等）和表面熱處理（如表面淬火、化學熱處理等）。

熱處理工序常插于其它冷、熱加工工序之間進行。 其作用主要有：一是作為預先工序消除原材料、毛坯或半成品加工過程中產(chǎn)生的組織缺陷并改善其工藝性能，為后續(xù)工序作準備，這通常用退火、正火方法實現(xiàn)；二是提高材料的力學性能， 充分發(fā)揮零件的潛力，以達到零件的最終要求。 這通常以淬火、回火和表面熱處理方法來實現(xiàn)。

鋼種要達到預期的性能， 熱處理是最重要的一環(huán)。 不僅要達到釬頭體需要的硬度， 而且需要在此硬度條件下獲得良好的組織性能，有足夠的韌性和強度。

2.1 熱處理工藝

在材質選定后，釬桿的熱處理是提高和保證釬桿壽命的關鍵。根據(jù)整體釬桿的受力情況可知，尾柄作為與動力設備連接的部位， 是受力最大的地方，也是釬桿失效最常出現(xiàn)的部位，它的各種性能將直接影響到釬桿的整體綜合強度和最終的使用壽命，對于錐體連接釬桿來說，其熱處理主要指的就是尾柄的淬火處理，尾柄淬火目前主要有高頻淬火、中頻淬火和鹽浴淬火三種方式。

2.2 淬火加熱方式的選擇

國外一般都采用高頻淬火，考慮到生產(chǎn)速度和可控性方面，本文試驗工藝選擇感應加熱， 但采用中頻感應加熱，原因如下：

根據(jù)尾柄的受力情況，尾柄的能量傳遞過程主要是以力矩的方式向釬桿體傳遞，由于承受較高的扭矩，在其表面除了受到切向剪切力外，在六個棱角周圍還承受著較大的壓應力，這兩方面的原因要求尾柄除了要有較高的表面硬度外，還應該具有一定的淬硬深度。

對于感應加熱， 由于存在集膚效應，工件截面上各質點的電流密度并不是均勻的，表現(xiàn)為：表面質點電流密度最大，越往心部越小。 同種金屬在相同的條件下， 隨著電流頻率f 的降低，工件的電流透入深度δ 增加，即工件的加熱深度增加，因此采用中頻感應加熱使得淬硬深度變大， 且中頻加熱有速度快、過熱度大、過熱傾向小、晶粒細小、軟化區(qū)小等優(yōu)點。

2.3 淬火溫度的確定

釬桿淬火理論加熱溫度應該定在Ac1 以上 30～50℃和 Acm 區(qū)域范圍內(nèi)，通常采用的感應加熱，其最大的特點就是加熱速度快。根據(jù)加熱速度對固態(tài)相變臨界點影響可知，提高加熱速度可以提高鋼的奧氏體化溫度（固態(tài)相變臨界點），降低過熱傾向，根據(jù)這一現(xiàn)象，我們把加熱溫度也相應提高，采用840℃加熱。

2.4 尾柄淬火區(qū)長度的確定

由于采用的是局部熱處理，雖然感應加熱的加熱速度很快，但是金屬的熱傳遞同樣很快，在淬火區(qū)區(qū)域和非淬火區(qū)區(qū)域之間不可避免會出現(xiàn)一定的溫度過渡區(qū)域，如圖1。

圖1 溫度過渡區(qū)域

此過程相當于高溫回火，在高溫加熱過程中， 碳化物不斷向晶界處聚集，且呈現(xiàn)出一定的長大趨勢，加大了組織的不均勻性，基體晶粒內(nèi)部碳濃度大幅下降，顯微硬度降低。綜合上述原因，形成了溫度過渡區(qū)域的軟區(qū)（硬度谷）。

從領盤的結構上看，由于尺寸過渡較大，領盤兩端存在較為明顯的應力集中。 在一定應力條件下，在領盤兩端會出現(xiàn)兩個應力峰值，這兩個應力峰值均大大高于其條件應力。

因此，要想有效的提高釬桿的使用壽命，就需要避免使軟區(qū)再現(xiàn)在這兩個峰值區(qū)域，要實現(xiàn)硬度谷和應力集中的分離，主要有兩個方案：

第一種是讓硬度谷出現(xiàn)在領盤上，在同樣的條件應力下，這個區(qū)域所受應力較低，能夠有效地提高釬桿的使用壽命，但這個區(qū)域長度過短，很難實現(xiàn)有效的控制， 生產(chǎn)的產(chǎn)品質量不穩(wěn)定，淬火區(qū)過短或者過長都可能導致硬度谷和應力峰值重合，這個方案要求淬火區(qū)控制精度高，一般設備很難實現(xiàn)。

第二種方案是使硬度谷出現(xiàn)在釬桿的基體上，即淬火區(qū)超過領盤一定的距離，這樣也能夠有效地避免硬度谷和應力集中的重合，而且這個方案對設備要求不高，產(chǎn)品質量較為穩(wěn)定。

3 分析

3.1 硬度分析

硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一項重要的性能指標，它既可理解為是材料抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力，也可表述為材料抵抗殘余變形和反破壞的能力。

由于我們只對尾柄進行熱處理，在距尾柄端面180 mm 內(nèi)硬度在 HRC 49～52 之間， 按上述工藝一般在HRC 50 左右，硬度分布如圖2。

圖2 熱處理后桿體硬度分布

熱處理時會在熱處理部分和桿體之間形成一個過渡區(qū)，過渡區(qū)上不可避免地形成一軟區(qū)，我公司通過讓這個軟區(qū)與釬桿應力集中部位的分離，有效地減小了它對釬桿使用壽命的影響；由于釬桿基體沒有經(jīng)過熱處理，桿體組織和硬度分布取決于熱軋狀態(tài)，也就是要求熱軋控溫必須嚴格， 軋制溫度過高，變速率跟不上，導致晶粒長大的速率高于重結晶的速率，晶粒大小得不到有效的控制，硬度較低；軋制溫度偏低，雖然有較大的形變量，但由于溫度較低，再結晶過程緩慢， 無法及時的消耗大量形變，影響組織均勻性，甚至發(fā)展形成宏觀裂紋， 大大降低了釬桿質量性能，桿體硬度一般應控制在HRC34～42 之間。

3.2 影響釬桿疲勞強度的因素

釬桿的疲勞強度取決于釬桿中最薄弱部位的強度和宏觀、微觀缺陷引起的應力集中程度。 所以，經(jīng)常由于釬桿某一細小局部出現(xiàn)微觀裂紋而成為破壞的根源。 因此，釬桿材質及其均勻程度，釬桿的幾何結構和參數(shù)，物理機械性能和表面狀況，都是釬桿疲勞強度的決定因素。 而中空鋼冶軋工藝過程，釬桿鍛造及熱處理工藝，鑿巖條件都將對釬桿疲勞強度產(chǎn)生重要影響。對釬桿疲勞強度產(chǎn)生影響的因素可分為四類。

3.2.1 表面質量

釬桿表面質量嚴重影響釬桿的疲勞強度，特別是強度較高的合金鋼釬桿對表面質量更為敏感。表面的一個小傷痕常成為極危險的尖銳缺口，Kf值為1.5～2.5。 釬桿表面缺陷，如凹痕、裂紋、氣泡、脫碳、刀痕、腐蝕等，都將導致疲勞缺口敏感度增加，釬桿使用壽命因之大幅度降低，針對表面質量問題，拋丸處理可有效地提高桿體表面壓應力和表面硬度，大大降低疲勞缺口敏感性。

金相組織類型及晶粒大小對疲勞強度的影響較為復雜，一方面，組織越均勻晶粒越細小， 鋼的抗拉強度就越高，韌性也越大，缺口敏感性也越小，疲勞強度也就越高。適當?shù)臈U體硬度將保證釬桿具有較小的疲勞缺口敏感度，從而提高釬桿疲勞強度，在生產(chǎn)過程中增大淬火加熱速度和適當?shù)靥岣叽慊疬^冷度，控制加熱過程晶粒的長大和相變形核率來保證組織的晶粒度，通過采用中頻感應加熱和油冷可以實現(xiàn)對組織晶粒度的控制。

3.2.2 合金成分和非金屬夾雜物

一般情況下，鋼的疲勞強度隨著抗拉強度的提高而提高，合金元素均能在一定程度上提高抗拉強度，從而提高疲勞強度。

鋼中非金屬夾雜物是疲勞裂紋的策源地， 同時也破壞了基體的連續(xù)性，引起應力集中， 從而嚴重降低疲勞強度。

3.2.3 冶煉

普碳鋼管鑄管法生產(chǎn)的中空鋼，內(nèi)壁是一層低碳鋼，相當于一層“自然脫碳層”，疲勞源容易產(chǎn)生于此。 因此，由這種中空鋼制成的釬桿， 疲勞強度不高，使用壽命低，雖然這種生產(chǎn)方式產(chǎn)生的“自然脫碳層”無法避免，但是可以從其形成疲勞源的條件入手，保證釬桿質量。 根據(jù)釬桿的受力條件可知，桿體傳遞的是力矩，切應力主要集中于桿體表面，內(nèi)壁受到的應力較小，而內(nèi)壁形成疲勞源主要是彎曲的釬桿在傳動過程中在彎曲的內(nèi)表面受到的周期循環(huán)拉應力撕裂組織產(chǎn)生的，因此，我們只要保證釬桿的直線度就能有效地降低“自然脫碳層”對釬桿使用壽命的影響。

3.2.4 軋制和鍛釬

中空鋼的軋制，除需保證良好的幾何尺寸精度之外，還需保證有足夠高的表面質量。中空鋼材斷面幾何形狀不規(guī)則，六邊不等以及芯孔偏斜、橢圓等都將導致釬桿截面應力分布不均，并引起應力集中，從而降低釬桿疲勞強度。

不適當?shù)腻戔F工藝，將使釬桿產(chǎn)生一些無法挽救的缺陷，如過燒、領盤處芯孔閉塞或出現(xiàn)喇叭口等，將嚴重降低釬桿疲勞強度。 鍛釬質量低劣的釬桿，其使用壽命都很低， 均出現(xiàn)早期折斷，且斷裂部位基本在領盤或領盤附近。

對于軋制和鍛釬工藝產(chǎn)生的質量問題，要嚴格檢查，發(fā)現(xiàn)明顯質量問題及時作廢，提高釬桿的質量穩(wěn)定性。

3.3 熱處理

熱處理工藝不當，尾柄、梢尖和桿體硬度過低或過高，出現(xiàn)組織薄弱區(qū)和軟點等，顯然會降低釬桿壽命。 斷裂主要發(fā)生在離尾柄端面200～400 mm 處，其次是釬桿和釬頭連接的錐形處。 D.S.凱姆斯利指出，在離斷裂部位6 mm 以內(nèi)，有一個硬度低谷區(qū)。 這個硬度低谷區(qū)就是尾柄在熱加工時形成的。它恰好處在相變的臨界溫度上，這個地方就是碳化物被球化了的地方。 但凱氏指出，斷裂面并不發(fā)生在硬度最低的球化區(qū)，而是在它的界面上，他認為，在水的作用下，球化的軟區(qū)起著陽極作用（其他地方為陰極）， 在電化學的作用下出現(xiàn)腐蝕裂紋，這些裂紋在沖擊作用的交變應力波作用下，逐漸擴展而致斷裂。 因此在斷口上，從水孔向外發(fā)展的疲勞源占多數(shù)。

4 結論

（1）錐體連接釬桿在生產(chǎn)過程中不能避免淬火軟區(qū)， 通過控制淬火區(qū)長度，可以有效地提高釬桿使用壽命；

（2）釬桿熱處理方法中，中頻加熱很簡便，晶粒細小，淬硬層理想，質量穩(wěn)定；

（3）針對各種表面質量問題，通過后期拋丸處理， 能夠得到較大改善，有效提高釬桿疲勞強度，從而提高釬桿使用壽命；

（4）保證釬桿較高的直線度，可以有效地降低內(nèi)壁產(chǎn)生疲勞源的機會，提高釬桿質量；

（5） 在其他條件不變的情況下，對釬桿進行嚴格的檢查，對釬桿質量穩(wěn)定性的保證可起到關鍵作用。

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