影響錐體釬桿使用壽命的因素

任光海

（首鋼貴陽(yáng)特殊鋼有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 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(dòng)鑿巖機(jī)或液壓鑿巖機(jī)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(jìn)行鑿巖作業(yè)。 目前我國(guó)小直徑淺孔鑿巖用的釬具產(chǎn)品大都是錐體釬桿。

我國(guó)是礦業(yè)大國(guó)，鉆爆法鑿巖技術(shù)與設(shè)備是礦業(yè)開(kāi)采和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程中的主要手段。 近年來(lái)，隨著鑿巖設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)了鑿巖釬具業(yè)的發(fā)展。 目前我國(guó)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(shè)備和制造工藝較為落后，使用的中空鋼材質(zhì)量較差，缺乏現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段，致使產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定， 可靠性和使用壽命相對(duì)較低。為此，提高釬具使用壽命，對(duì)節(jié)省優(yōu)質(zhì)鋼材和硬質(zhì)合金，開(kāi)發(fā)高技術(shù)高附加值產(chǎn)品，進(jìn)而在國(guó)際釬具市場(chǎng)占據(jù)一定份額具有現(xiàn)實(shí)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(lǐng)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(jiàn)的破壞形式。釬桿在工作過(guò)程中承受著沖擊、彎曲、腐蝕等的作用。 釬桿在多次反復(fù)應(yīng)力作用下，由于損傷積累產(chǎn)生裂紋， 裂紋再擴(kuò)展，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展過(guò)程而形成釬桿的疲勞斷裂。 斷裂過(guò)程大體可分為三個(gè)階段：第一階段，在交變應(yīng)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?。坏谌A段，當(dāng)釬桿截面減小到不足以承受相當(dāng)于抗拉強(qiáng)度的應(yīng)力時(shí)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(wú)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(guò)程中存在局部缺陷，如存在夾雜物、斷面變化過(guò)于劇烈、鍛造時(shí)產(chǎn)生喇叭口、熱處理不當(dāng)?shù)纫蛩刂率光F桿強(qiáng)度低、韌性差以及產(chǎn)生應(yīng)力集中，使裂紋擴(kuò)展快而引起釬桿早期斷裂。由于材質(zhì)和熱處理不當(dāng)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(guó)釬桿質(zhì)量與國(guó)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(diǎn)最少化，我們通常采用正火，淬火+回火等熱處理手段。

2 材質(zhì)與熱處理工藝

熱處理是將金屬在固態(tài)下通過(guò)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(gòu)成了零件的完整的加工過(guò)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(xué)熱處理等）。

熱處理工序常插于其它冷、熱加工工序之間進(jìn)行。 其作用主要有：一是作為預(yù)先工序消除原材料、毛坯或半成品加工過(guò)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(zhǔn)備，這通常用退火、正火方法實(shí)現(xiàn)；二是提高材料的力學(xué)性能， 充分發(fā)揮零件的潛力，以達(dá)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(lái)實(shí)現(xiàn)。

鋼種要達(dá)到預(yù)期的性能， 熱處理是最重要的一環(huán)。 不僅要達(dá)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(qiáng)度。

2.1 熱處理工藝

在材質(zhì)選定后，釬桿的熱處理是提高和保證釬桿壽命的關(guān)鍵。根據(jù)整體釬桿的受力情況可知，尾柄作為與動(dòng)力設(shè)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(qiáng)度和最終的使用壽命，對(duì)于錐體連接釬桿來(lái)說(shuō)，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(guó)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(yàn)工藝選擇感應(yīng)加熱， 但采用中頻感應(yīng)加熱，原因如下：

根據(jù)尾柄的受力情況，尾柄的能量傳遞過(guò)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(gè)棱角周圍還承受著較大的壓應(yīng)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(yīng)該具有一定的淬硬深度。

對(duì)于感應(yīng)加熱， 由于存在集膚效應(yīng)，工件截面上各質(zhì)點(diǎn)的電流密度并不是均勻的，表現(xiàn)為：表面質(zhì)點(diǎn)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(yīng)加熱使得淬硬深度變大， 且中頻加熱有速度快、過(guò)熱度大、過(guò)熱傾向小、晶粒細(xì)小、軟化區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 淬火溫度的確定

釬桿淬火理論加熱溫度應(yīng)該定在Ac1 以上 30～50℃和 Acm 區(qū)域范圍內(nèi)，通常采用的感應(yīng)加熱，其最大的特點(diǎn)就是加熱速度快。根據(jù)加熱速度對(duì)固態(tài)相變臨界點(diǎn)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(diǎn)），降低過(guò)熱傾向，根據(jù)這一現(xiàn)象，我們把加熱溫度也相應(yīng)提高，采用840℃加熱。

2.4 尾柄淬火區(qū)長(zhǎng)度的確定

由于采用的是局部熱處理，雖然感應(yīng)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(huì)出現(xiàn)一定的溫度過(guò)渡區(qū)域，如圖1。

圖1 溫度過(guò)渡區(qū)域

此過(guò)程相當(dāng)于高溫回火，在高溫加熱過(guò)程中， 碳化物不斷向晶界處聚集，且呈現(xiàn)出一定的長(zhǎng)大趨勢(shì)，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(guò)渡區(qū)域的軟區(qū)（硬度谷）。

從領(lǐng)盤的結(jié)構(gòu)上看，由于尺寸過(guò)渡較大，領(lǐng)盤兩端存在較為明顯的應(yīng)力集中。 在一定應(yīng)力條件下，在領(lǐng)盤兩端會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)應(yīng)力峰值，這兩個(gè)應(yīng)力峰值均大大高于其條件應(yīng)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(gè)峰值區(qū)域，要實(shí)現(xiàn)硬度谷和應(yīng)力集中的分離，主要有兩個(gè)方案：

第一種是讓硬度谷出現(xiàn)在領(lǐng)盤上，在同樣的條件應(yīng)力下，這個(gè)區(qū)域所受應(yīng)力較低，能夠有效地提高釬桿的使用壽命，但這個(gè)區(qū)域長(zhǎng)度過(guò)短，很難實(shí)現(xiàn)有效的控制， 生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，淬火區(qū)過(guò)短或者過(guò)長(zhǎng)都可能導(dǎo)致硬度谷和應(yīng)力峰值重合，這個(gè)方案要求淬火區(qū)控制精度高，一般設(shè)備很難實(shí)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(guò)領(lǐng)盤一定的距離，這樣也能夠有效地避免硬度谷和應(yīng)力集中的重合，而且這個(gè)方案對(duì)設(shè)備要求不高，產(chǎn)品質(zhì)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(xiàng)重要的性能指標(biāo)，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(duì)尾柄進(jìn)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(shí)會(huì)在熱處理部分和桿體之間形成一個(gè)過(guò)渡區(qū)，過(guò)渡區(qū)上不可避免地形成一軟區(qū)，我公司通過(guò)讓這個(gè)軟區(qū)與釬桿應(yīng)力集中部位的分離，有效地減小了它對(duì)釬桿使用壽命的影響；由于釬桿基體沒(méi)有經(jīng)過(guò)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(yán)格， 軋制溫度過(guò)高，變速率跟不上，導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大的速率高于重結(jié)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(jié)晶過(guò)程緩慢， 無(wú)法及時(shí)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(zhì)量性能，桿體硬度一般應(yīng)控制在HRC34～42 之間。

3.2 影響釬桿疲勞強(qiáng)度的因素

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

3.2.1 表面質(zhì)量

釬桿表面質(zhì)量嚴(yán)重影響釬桿的疲勞強(qiáng)度，特別是強(qiáng)度較高的合金鋼釬桿對(duì)表面質(zhì)量更為敏感。表面的一個(gè)小傷痕常成為極危險(xiǎn)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(dǎo)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(duì)表面質(zhì)量問(wèn)題，拋丸處理可有效地提高桿體表面壓應(yīng)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(duì)疲勞強(qiáng)度的影響較為復(fù)雜，一方面，組織越均勻晶粒越細(xì)小， 鋼的抗拉強(qiáng)度就越高，韌性也越大，缺口敏感性也越小，疲勞強(qiáng)度也就越高。適當(dāng)?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(qiáng)度，在生產(chǎn)過(guò)程中增大淬火加熱速度和適當(dāng)?shù)靥岣叽慊疬^(guò)冷度，控制加熱過(guò)程晶粒的長(zhǎng)大和相變形核率來(lái)保證組織的晶粒度，通過(guò)采用中頻感應(yīng)加熱和油冷可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(qiáng)度隨著抗拉強(qiáng)度的提高而提高，合金元素均能在一定程度上提高抗拉強(qiáng)度，從而提高疲勞強(qiáng)度。

鋼中非金屬夾雜物是疲勞裂紋的策源地， 同時(shí)也破壞了基體的連續(xù)性，引起應(yīng)力集中， 從而嚴(yán)重降低疲勞強(qiáng)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(dāng)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(qiáng)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(wú)法避免，但是可以從其形成疲勞源的條件入手，保證釬桿質(zhì)量。 根據(jù)釬桿的受力條件可知，桿體傳遞的是力矩，切應(yīng)力主要集中于桿體表面，內(nèi)壁受到的應(yīng)力較小，而內(nèi)壁形成疲勞源主要是彎曲的釬桿在傳動(dòng)過(guò)程中在彎曲的內(nèi)表面受到的周期循環(huán)拉應(yīng)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(duì)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(zhì)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(dǎo)致釬桿截面應(yīng)力分布不均，并引起應(yīng)力集中，從而降低釬桿疲勞強(qiáng)度。

不適當(dāng)?shù)腻戔F工藝，將使釬桿產(chǎn)生一些無(wú)法挽救的缺陷，如過(guò)燒、領(lǐng)盤處芯孔閉塞或出現(xiàn)喇叭口等，將嚴(yán)重降低釬桿疲勞強(qiáng)度。 鍛釬質(zhì)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(lǐng)盤或領(lǐng)盤附近。

對(duì)于軋制和鍛釬工藝產(chǎn)生的質(zhì)量問(wèn)題，要嚴(yán)格檢查，發(fā)現(xiàn)明顯質(zhì)量問(wèn)題及時(shí)作廢，提高釬桿的質(zhì)量穩(wěn)定性。

3.3 熱處理

熱處理工藝不當(dāng)，尾柄、梢尖和桿體硬度過(guò)低或過(guò)高，出現(xiàn)組織薄弱區(qū)和軟點(diǎn)等，顯然會(huì)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(gè)硬度低谷區(qū)。 這個(gè)硬度低谷區(qū)就是尾柄在熱加工時(shí)形成的。它恰好處在相變的臨界溫度上，這個(gè)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(rèn)為，在水的作用下，球化的軟區(qū)起著陽(yáng)極作用（其他地方為陰極）， 在電化學(xué)的作用下出現(xiàn)腐蝕裂紋，這些裂紋在沖擊作用的交變應(yīng)力波作用下，逐漸擴(kuò)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(jié)論

（1）錐體連接釬桿在生產(chǎn)過(guò)程中不能避免淬火軟區(qū)， 通過(guò)控制淬火區(qū)長(zhǎng)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(jiǎn)便，晶粒細(xì)小，淬硬層理想，質(zhì)量穩(wěn)定；

（3）針對(duì)各種表面質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)后期拋丸處理， 能夠得到較大改善，有效提高釬桿疲勞強(qiáng)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(jī)會(huì)，提高釬桿質(zhì)量；

（5） 在其他條件不變的情況下，對(duì)釬桿進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，對(duì)釬桿質(zhì)量穩(wěn)定性的保證可起到關(guān)鍵作用。

[1]對(duì)瑞典Sandvik 公司B22mm 釬桿的分析與檢測(cè) [R]. 貴陽(yáng)特殊鋼有限公司檢驗(yàn)報(bào)告，2006.7.

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