液壓掘進鉆車釬桿的研制與失效分析

唐文龍，李永金

（首鋼貴陽特殊鋼有限責任公司，貴州 貴陽 550005）

液壓掘進鉆車釬桿的研制與失效分析

唐文龍，李永金

（首鋼貴陽特殊鋼有限責任公司，貴州 貴陽 550005）

22SiMnCrNi2MoA是一種低碳高強度鋼，具有很好的淬透性和淬硬性，以及良好的強韌性和滲碳性能，適用于制造液壓掘進鉆車用釬桿。通過對液壓掘進鉆車釬桿中空鋼材的化學成分、高低倍組織、力學性能，以及產品組織性能、結構設計、制釬、機械加工、熱處理工藝、礦山試驗和失效試樣的研究分析，說明采用科學合理的技術生產工藝，22SiMnCrNi2MoA中空鋼可以制成質量穩定，具有較高綜合機械性能和使用壽命的掘進鉆車釬桿。

掘進鉆車釬桿；結構設計；失效分析

0 前言

近年來，隨著機械和液壓設備技術的快速發展，液壓掘進鉆車和鑿巖機向著大型化、自動化、全液壓化、高沖擊功率和大扭矩的方向發展。這類鑿巖設備的沖擊功率、轉釬扭矩、鑿巖推進速度、液壓系統壓力都大幅度提高，不但大大提高了鑿巖作業的生產效率，而且降低了生產成本?，F在，全液壓掘進鉆車已經廣泛應用于基礎工程施工建設、公路、鐵路隧道開鑿、邊坡支護、大中型露天和井下礦山、采石料場、水電水利工程、國防工程施工等眾多項目中的巖石掘進、礦物資源開采、錨桿錨固，以及石料開采等領域。隨著鉆爆工藝技術的進步，液壓掘進鉆車在工程施工中越來越顯示出其優越性，使用量不斷加大[1]。這一方面使得與之配套使用的液壓掘進鑿巖釬具的需求量不斷加大，另一方面對鑿巖釬具的性能和質量提出了更高的要求。

液壓掘進鉆車釬桿是液壓掘進鉆車主要配套使用鉆具之一，在掘進鑿巖作業中消耗量很大。國外質量好的液壓掘進鉆車釬桿價格昂貴。國產的液壓掘進鉆車釬桿，其綜合機械性能和質量穩定性與國外質量好的液壓掘進鉆車釬桿相比還存在一定差距，而且國產液壓掘進鉆車釬桿的失效方式主要為螺紋部位斷裂，斷裂后造成斷頭和釬頭掉在炮孔里無法取出，而導致廢孔和丟失釬頭，降低鑿巖作業的生產效率，增加生產成本，使液壓掘進鉆車高效率的特點難以發揮出來[2]。因此，對液壓掘進鉆車釬桿進行研究分析，改進我國液壓掘進鉆車釬桿的綜合機械性能，提高其質量穩定性和使用壽命，具有重大意義。

1 液壓掘進鉆車釬桿受力分析

1.1 軸向的壓縮應力和拉伸應力

在進行鑿巖作業時，高頻率、大功率液壓鑿巖機活塞將沖擊力作用在釬尾上，通過釬尾的螺紋端傳遞給釬桿，再經釬桿傳遞給釬頭，最后釬頭將沖擊力作用在巖石上，巖石產生一個反作用力經釬頭傳遞給釬桿，因此，在鑿巖過程中釬桿承受軸向的壓縮應力和拉伸應力。

1.2 彎曲應力

釬桿是一種細長桿件，釬桿不平直、釬桿自身重量、軸向推進力、鑿巖機沖擊力都可能使釬桿產生彎曲變形，導致沖擊能量的非直線性傳遞，使釬桿在鑿巖過程中承受彎曲應力。

1.3 扭轉應力

釬具組（釬尾、釬桿、連接套、釬頭）在鑿巖過程中是由鑿巖機回轉部分帶動而旋轉的。釬桿在旋轉過程中必須克服各種旋轉阻力，因而釬桿在鑿巖時承受扭轉應力。

此外，在鑿巖過程中，釬桿與孔壁、巖渣存在著碰撞和摩擦作用，釬桿中孔內通有高壓水介質，這些水多從礦井內水源就地取用，其酸堿性較強，對釬桿表面和芯孔壁均有較強的腐蝕作用[3]。

2 液壓掘進鉆車釬桿選材與原材料檢驗分析

22SiMnCrNi2MoA是一種低合金高強度鋼，具有良好的沖擊強度和低的缺口敏感性，以及較好的延伸性。該鋼淬透性很好，室溫空冷可得到硬而韌的低碳馬氏體，適合于空冷硬化及氣體滲碳。在氣體滲碳硬化條件下，具有高的耐磨性和疲勞強度[4]。因此，22SiMnCrNi2MoA鋼適用于制造液壓掘進鉆車釬桿。

2.1 化學成分

制作試驗液壓掘進鉆車釬桿用22SiMn-CrNi2MoA中空鋼化學成分如表1所示。

2.2 高低倍組織

制作試驗液壓掘進鉆車釬桿用22SiM-nCrNi2MoA中空鋼高低倍組織如表2所示。

表1 化學成分

表2 高低倍組織

2.3 力學性能

制作試驗液壓掘進鉆車釬桿用22SiMnCrNi2MoA中空鋼力學性能如表3所示。

表3 力學性能

由表1、表2、表3可知，制作試驗液壓掘進鉆車釬桿用22SiMnCrNi2MoA中空鋼各項檢測結果均達到較高的技術要求。

3 液壓掘進鉆車釬桿制釬工藝與結構設計

液壓掘進鉆車釬桿的生產工藝為中空鋼材檢驗—定尺下料—墩鍛桿體R38/T38螺紋端—加工螺紋。制釬時需要鐓粗。鐓粗的關鍵是控制溫度，保證鐓粗的飽滿度和直線度。制釬時，采用中頻感應加熱，紅外線測溫儀精確控制始鍛溫度，避免了過燒和過熱現象。使用從英國進口的250噸液壓鍛釬機進行鐓粗，使鐓鍛的鐓擠速度、飽滿度、內孔直線度等得到了保證，成型效果達到較高的工藝技術要求。

液壓掘進鉆車釬桿的規格一般為：R32-H28-R28-5525mm；R38-H32-R32-3700/4300mm；T38/R38-Round32-R32-1220mm、1525mm；T38/R38-H35-R32-3700mm、3090mm等。根據掘進鉆車釬桿在鑿巖過程中應力波的傳遞原理，應當盡量減少釬具組連接處端面的突變。液壓掘進鉆車釬桿的結構設計如圖1、圖2所示。

圖1 掘進鉆車釬桿

圖2 快換掘進鉆車釬桿

4 試驗液壓掘進鉆車釬桿的表面熱處理工藝與檢驗

液壓掘進鉆車釬桿的表面熱處理工藝為整體滲碳—強制風冷—低溫回火—矯直—拋丸—磷化—內孔清理—噴漆。采用該工藝生產材質為22SiMnCrNi2MoA，規格為R38-H32-R32-3700mm的試驗液壓掘進鉆車釬桿，并進行硬度、組織和碳濃度檢測。

4.1 制作金相試樣

隨機抽取一支經過滲碳、淬火與回火的釬桿 分別切取R32螺紋端 R38螺紋端和桿體試樣。試樣經精細研磨與拋光之后，制成金相試樣，4%硝酸乙醇溶液浸蝕，其宏觀形貌如圖3所示。

圖3 R32試樣、H32桿體試樣、R38試樣

4.2 試樣的硬度與滲層深度

試驗液壓掘進鉆車釬桿硬度和滲層檢測情況如表4所示。

4.3 剝層試樣的檢測情況

滲碳試樣剝層檢測結果見表5、圖4。

從表5和碳濃度曲線圖4可知，剝層樣上下區最高碳濃度分別為0.82C%、0.79 C%；第11層碳濃度分別為0.35C%、0.36C%；碳濃度梯度分別為0.035C%/mm、0.037C%/mm。碳濃度過渡平穩，分布較為合理。

表4 表面和基體檢測結果

表5 試樣剝層碳含量（%）

圖4 碳濃度曲線

4.4 滲層顯微維氏硬度

滲碳試樣滲層維氏硬度檢測數據見表6、圖 5。

表6 滲層維氏硬度檢測情況

圖5 滲層維氏硬度曲線

經過顯微硬度法檢測，R38螺紋端、R32螺紋端和H32桿體試樣全滲層深度（HV1為450）分別為 1.18mm、1.17mm、1.20mm，有效硬化層深度（CHD550HV1）分別為 0.81mm、0.83mm、0.92mm。

4.5 顯微組織

R38-H32-R32-3700mm試驗液壓掘進鉆車釬桿滲層組織與基體組織，如圖6、圖7所示。

圖6 滲層400X

圖7 基體400X

說明：滲層組織為細針狀馬氏體+少量殘余奧氏體+顆粒碳化物，基體組織為板條馬氏體+貝氏體+殘余奧氏體。滲層與基體組織正常，滲層無大塊狀或網狀碳化物，殘余奧氏體的量很少，基體組織均勻，晶粒細小，這樣的滲層和基體組織的配合，表明釬桿應當具有較好的強韌性能

5 礦山鑿巖試驗與失效分析

試驗是在大型地下鐵礦進行的，礦山試驗場地巖石普氏硬度系數為f=12～16。該礦山巖石硬度較高，巖層分布不均勻，地質條件相當復雜，對液壓掘進鉆車釬桿的綜合機械性能的要求很高。

此次用于試驗的為R38-H32-R32-3700mm液壓掘進鉆車釬桿5支，配用準45-R32-7（齒）釬頭、準48-R32-9（齒）釬頭、準76-R32-12（齒）釬頭、擴孔鉆頭，進口液壓鑿巖機釬尾、套管連接使用。鑿巖設備為瑞典Atlas Copco公司產Boomer282液壓掘進鉆車，鑿巖機型號為Cop1238ME。

5.1 試驗結果分析

表7 液壓掘進鉆車釬桿試驗數據

試驗R38-H32-R32-3700mm液壓掘進鉆車釬桿數量為5支，鉆鑿總進尺為4668.8m，單支平均進尺為933.8m。相對于所在試驗礦山使用的進口優質液壓掘進鉆車釬桿，其平均使用壽命約為1200.0 m。對試驗釬桿宏觀形貌鑒別分析，失效方式分別為R32螺紋部磨損失效、R32螺紋根部斷裂、距離R32螺紋端面第二扣斷裂，如圖8、圖9、圖10所示。從試驗結果可以看出，試驗釬桿的主要失效方式是R32螺紋磨損失效，以及R32螺紋磨損之后疲勞斷裂失效。說明采用22SiMn-CrNi2MoA鋼，通過釬桿技術工藝生產的液壓掘進鉆車釬桿的性能和質量是能夠滿足使用性能要求的。

圖8 R32螺紋部磨損失效

圖9 R32螺紋根部斷裂

圖10 距離R32螺紋端面第二扣斷裂

5.2 失效分析

5.2.1 液壓掘進鉆車釬桿R32螺紋磨損

一般情況下，液壓掘進鉆車釬桿的正常失效形式應為R32螺紋嚴重磨損，即螺紋波峰磨細或者磨平，以及在鑿巖累計進尺較多的情況下，因磨損嚴重而發生疲勞斷裂。造成R32螺紋磨損失效的方式為微動磨損和沖擊磨損，在鑿巖過程中，隨著鑿巖作業的不斷進行，新舊釬頭的更換，R32螺紋的磨損程度不斷加大，R32螺紋與新舊釬頭的配合間隙也越來越大，磨損將會由最初配合良好時產生的微動磨損，漸漸地過渡到配合間隙較大時產生的沖擊磨損。沖擊磨損將導致螺紋迅速磨損，造成釬桿迅速磨損失效。另外在大功率液壓鑿巖機的沖擊和扭轉的作用下，R32螺紋與新舊釬頭的配合處會形成線接觸或面接觸，造成螺紋表面局部高溫，螺紋表面硬度和耐磨性降低，甚至形成熔蝕坑，進而轉變為裂紋源。

5.2.2 液壓掘進鉆車釬桿R32螺紋斷裂

將R32螺紋磨損失效樣放入70%鹽酸中煮一個小時，然后用熱水清洗吹干，如圖11（a）、（b）所示。 從圖中可以看出，在液壓掘進鉆車釬桿R32螺紋根部和距離R32螺紋端面第二扣處疲勞源最嚴重，而且出現了熔蝕坑，說明在鑿巖過程中，釬桿的這兩個部位所受到的應力是最大的，也容易產生高溫形成熔蝕坑，所以液壓掘進鉆車釬桿非常容易在這兩個部位斷裂失效。

圖1 1R32螺紋部位失效樣在70%鹽酸中煮1h后宏觀形貌

在鑿巖過程中，工作人員操作Atlas Copco Boomer 282/281臺車，一般使用鉆桿與準76-R32-12齒釬頭或擴孔鉆頭（如圖12所示）鉆鑿掘進面的掏心孔，由于準76-R32-12齒釬頭和擴孔鉆頭對釬桿R32螺紋部位產生的拉壓應力、扭轉應力、彎曲應力、推進阻力、摩擦力均很大，易造成R32螺紋部位斷裂，主要表現在R32螺紋部位與釬頭配合處斷裂。

圖12 準76-R32-12齒釬頭和擴孔鉆頭

5.2.3 液壓掘進鉆車釬桿R32螺紋部位與釬頭的配合

礦山使用不同廠家的釬具產品，造成液壓掘進鉆車釬桿R32螺紋部位與釬頭配合有多余的螺紋露出，以至很難保證良好的配合公差尺寸，如圖13所示。這樣將有可能導致液壓掘進鉆車釬桿R32螺紋部位較早磨損或斷裂而失效。

圖13 釬桿與釬頭配合不佳而導致有多余的螺紋露出

5.2.4 失效液壓掘進鉆車釬桿的組織

從失效液壓掘進鉆車釬桿上切取縱向試樣，磨制成金相試樣，4%硝酸乙醇溶液輕微浸蝕。在顯微鏡下觀察，可以發現試樣上靠近芯孔處存在輕微的帶狀組織，如圖 14（a）、（b）所示。帶狀組織的存在使鋼的組織不均勻，力學性能產生各向異性，縱向性能比橫向性能好，特別是橫向塑性和韌性明顯降低，嚴重的帶狀組織容易成為疲勞斷裂的薄弱環節。

圖14 帶狀組織

6 討論

（1）液壓掘進鉆車釬桿要獲得較高的使用壽命，滲層應該具有較高的硬度、耐磨性和接觸疲勞強度，基體應具有很高的強韌性。因此，在制定生產工藝時，應當從細化晶粒，提高強韌性方向出發，制定適當的工藝參數，獲得優良的滲層和基體組織。同時，減少能耗，降低生產成本。

（2）鉆鑿掘進面的掏心孔，由于準76-R32-12齒釬頭或擴孔釬頭對釬桿R32螺紋部位產生的扭矩、彎曲應力、推進阻力、摩擦力均增大，易造成R32螺紋部位斷裂，主要表現在R32螺紋根部與釬頭配合處斷裂。需要加強控制冶軋質量、制釬、機加工和熱處理質量，保證鉆車釬桿的綜合機械性能，特別是R32螺紋部位抗彎曲、抗扭轉、抗斷裂的性能。

（3）在結構設計特點方面，國產液壓掘進鉆車釬桿R32螺紋部位為緩慢收刀方式，R32螺紋端面為凸臺結構，這樣的結構應該具有其合理性。國外優秀的液壓掘進鉆車釬桿R32螺紋部位為加長收刀方式，其端面單邊有冷卻小圓弧槽，與釬頭配合之后，鑿巖時壓力水可通過小圓弧槽、配合間隙，對釬桿R32螺紋部位進行冷卻，有助于減緩R32螺紋部位磨損以及產生高熱形成熔蝕坑。因此，釬桿R32螺紋部位為加長收刀方式結構值得借鑒。

（4）掘進鉆車釬桿的垂直度、直線度、拋丸、防腐等因素，對釬桿的使用壽命有著很大的影響。在制釬和機加工時，釬桿兩個端面和螺紋軸線垂直，使得釬桿端面在鑿巖過程中所受到的沖擊力均勻。直線度好的釬桿，使用時不但可以有效的傳遞沖擊能量和回轉能量，而且能夠減少因彎曲和扭轉應力造成的疲勞斷裂。拋丸表面強化可以去除表面的輕微氧化脫碳，表面獲得壓應力，提高釬桿表面的硬度和疲勞強度。國內外釬桿的防腐一般采用磷化掛蠟或磷化噴漆工藝，均能取到較好的防腐效果。

7 結論

（1）通過嚴格的冶金工藝，獲得理想的化學元素配比，有效控制雜質元素和有害元素的比例。探索應用優良的軋制工藝，生產出表面質量好、幾何尺寸合格、組織細小的中空鋼。這樣的中空鋼原材料具備很好的力學性能，是制造高品質釬桿的基礎。

（2）滲層較理想的組織為細針狀馬氏體、少量殘余奧氏體、粒狀碳化物，無大塊狀和網狀碳化物；基體較理想的組織為板條馬氏體、貝氏體、殘余奧氏體。良好的滲層和基體組織，有助于提高釬桿的抗彎、抗扭轉、抗拉壓和接觸疲勞強度。

（3）合理的結構設計，良好的制釬和機加工質量，保證釬桿獲得較高使用壽命。國產液壓掘進鉆車釬桿R32螺紋端為緩慢收刀方式，其逐漸變小的結構，增加釬桿的抗彎曲性能，能夠在較高載荷下承受較大的彎曲應力。掘進釬桿的R38和R32螺紋端面為凸臺結構，能夠有效防止釬桿端面因沖擊而被打堆。

（4）從失效分析的情況來看，液壓掘進鉆車釬桿的正常失效形式應為R32螺紋部位波峰磨細或磨平，以及在累積進尺較多、嚴重磨損的情況下產生的疲勞斷裂。通過對失效釬桿的失效形式分析，可以知道掘進釬桿（特別是R32螺紋部位）應具有很高的耐磨性能、抗彎曲性能、抗扭轉性能、抗斷裂性能。

（5）通過選材、合理的技術生產工藝、檢驗分析、礦山鑿巖試驗和失效分析，說明材質為22SiMnCrNi2MoA中空鋼材、經過制釬和機加工之后，采用整體滲碳-強制風冷-低溫回火熱處理工藝生產的液壓掘進鉆車釬桿，使用性能獲得客戶的認可。國產液壓掘進鉆車釬桿性價比高，可以滿足礦山鑿巖作業使用需要，具有較強的市場競爭力。

（6）隨著科學技術的不斷創新和進步，我國地下工程施工中使用全液壓掘進鑿巖鉆車的數量將會快速增長，研制高性能、質量穩定、使用壽命和性價比高的掘進鉆車用釬桿，是釬具工作者重點關注的課題。

[1]胡銘，董鑫業.瑞典鑿巖鉆車用球齒釬頭[C].第十五屆全國釬鋼釬具年會論文集，2010：82-83.

[2]胡銘、董鑫業.瑞典阿特拉斯公司鑿巖鉆車與鑿巖機械 [C].第十五屆全國釬鋼釬具年會論文集，2010：260-262.

[3]徐斌、唐文龍.采礦鉆車快換釬桿鑿巖試驗與失效分析[J].礦山機械 ，2011，8（39）：14-17.

[4]黎炳雄，趙長有，肖上工，董鑫業，胡銘.釬具用鋼手冊[M].貴陽：中國鋼協釬鋼釬具協會，貴陽釬鋼研究所情報室，1998.

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