煤礦用鉆桿發生斷裂的原因分析及預防措施

趙文濤

摘 要：文章主要從金相組織角度出發，對我司外銷產品進行成分化驗、力學性能檢測、金相分析等檢測方法，最終確定帶狀組織在成品鋼管熱處理時如果消除不完全，就會導致鋼管在不同方向上承受力的程度不同，即力學性能在不同方向上呈現異性，從而降低了鉆桿的強度，導致過早的出現斷裂。

關鍵詞：鉆桿；斷裂；帶狀組織

1 前言

我司供某機電公司的φ42×5mm規格、45鋼鉆桿用無縫鋼管在組裝焊接成鉆桿后發往煤礦后在使用過程中鋼管的中間部位發生斷裂。鋼管焊接的單元長度為590mm，鉆桿的總長度在150-200米間。

2 斷口分析

從整個斷裂面觀察，斷口形貌粗糙，整個斷面呈現由上部至周圍放射性的河流花樣，且斷面處鋼管呈現橢圓形，管材外壁有氧化脫皮現象，屬于典型的塑性斷裂，且裂紋源應位于鋼管的上部。

3 化學成分檢測

在距斷裂面10mm處取樣進行化學成份檢測，結果為碳：0.45%；硅：0.22%；硫：0.011%；磷：0.009%；錳：0.59%含量均符合GB/T 8162-2008中45鋼碳：0.42-0.50%；硅：0.17-0.37%；硫：≤0.015%；磷：≤0.025；錳：0.50-0.80%的標準要求。

4 力學性能檢測

距斷裂面20mm至260mm處，在斷裂鋼管上截取拉伸試樣，結果為屈服強度（Rel）：400MPa、380MPa；抗拉強度（Rm）：640MPa、650MPa；斷后伸長率（A）：21%、22%。均符合GB/T 8162-2008中45鋼屈服強度≥335MPa，抗拉強度≥590MPa，斷后伸長率≥14%，的標準要求。

5 非金屬夾雜物檢測

在距斷裂面10mm處取樣進行非金屬夾雜物檢測，結果為硫化物類夾雜0.5級、氧化鋁類夾雜1.5級、硫酸鹽類夾雜0.5級、球狀氧化物類夾雜2.0級、單顆粒球狀類夾雜1.0級。按GB8162-2008結構用無縫鋼管標準要求，無需對鋼管材質進行非金屬夾雜物的檢測，本文進行該項檢測的目的是確定非金屬夾雜物因素對鋼管斷裂所帶來的影響程度的大小。但由結果可見，該鋼管的非金屬夾雜物的級別均在比結構管要求更高的高壓管（GB5310-2008）的要求范圍內，由此可排除非金屬夾雜物對鋼管斷裂的影響。

6 金相檢測

在距斷裂面10mm處取樣進行金相檢測，其內壁附近金相組織為：鐵素體+珠光體，帶狀組織4級，晶粒度7級；其外壁附近金相組織為，鐵素體+珠光體，且外壁組織較為均勻，幾乎呈現等軸晶分布，外壁邊緣處存有脫碳現象，深度有0.5mm；其芯部的金相組織為：鐵素體+珠光體，但金相照片中部及上部鐵素體與珠光體呈明顯的條帶狀分布，而左部中間及右下部鐵素體與珠光體呈等軸晶分布。

7 試驗結果分析

帶狀組織是金屬材料在熱形變加工成型過程中所產生的與熱形變加工方向大致平行的由諸個條帶構成的偏析組織。以鋼材中的鐵素體-珠光體帶尤為常見，另外還有珠光體-滲碳體帶等等帶狀組織。

就無縫鋼管而言，帶狀組織的存在可使鋼的組織不均勻，并導致鋼材性能各向異性，降低鋼的塑性、沖擊韌性和斷面收縮率等性能指標，易造成沖、壓、彎異常斷裂等嚴重問題。

無縫鋼管中帶狀組織的產生主要是在穿孔成型及隨之熱軋軋管后的冷卻過程中，發生相變時鐵素體優先在由枝晶偏析和非金屬夾雜物延伸而成的條帶中而形成的，如果鋼材坯料中存有較多的枝晶偏析或非金屬夾雜物等缺陷，在穿軋成毛管并隨后的冷卻過程中，帶狀組織的形成是無法避免的，只有通過退火工序加以消除。

針對φ42*5mm規格的45#鋼管而言，退火工藝一般為810-830℃，熱處理時間24-28分鐘。嚴格按照此工藝可大部分的消除熱軋帶來的帶狀組織，使沿軋制方向交錯分布的鐵素體晶粒與珠光體晶粒重新形核、長大呈現等軸晶分布，但帶狀組織消除程度的大小要依據在AC3點以上熱處理時間的長短，熱處理時間越長，帶狀組織消除的越完全，但相對應所投入的熱處理成本就越高，所以根據實際的產品類型及欲達到的帶狀組織級別制定合適的熱處理工藝才是最切合實際的辦法。

由圖1中可看出，金相組織存有帶狀組織、等軸晶及兩者的過度組織，是熱處理時間不夠所造成的，而試樣外壁則完全沒有帶狀組織，而且存有脫碳現象，可推測熱處理時，鋼管由于受到強化加熱，導致外壁鋼材升溫過快，并在高溫下停留了較長時間，導致氧化脫碳，但由于熱處理時間不夠，整個有效厚度的鋼材并未完全受熱轉變，即出現了過度區域，而內壁的帶狀組織則根本完全沒有轉變。更印證了是由于熱處理時間不夠所造成的鋼管斷裂。

8 結論

8.1 45#鉆桿出現的斷裂出現塑性斷裂。

8.2 熱處理時間不夠導致原本存在于管材當中的帶狀組織消除不完全，使管材的力學性能呈現方向性，即縱向上的承受力較橫向承受力大為降低。當鉆桿在工作中，受傳遞扭矩、拉壓、扭曲等載荷的復合作用下，極易出現疲勞裂紋，近而發生斷裂。

8.3 熱處理時，保證在AC3臨界點以上溫度，保溫較為合理的有效時間，對于改善帶狀組織有很大的幫助。

參考文獻

[1]劉云旭.低碳合金鋼中帶狀組織的成因、危害和消除[J].金屬熱處理，2000年12期.

[2]劉永銓.鋼的熱處理[J].冶金工業出版社，1986，8：155-170.

[3]柳得櫓，邵偉然，孫賢文，霍向東，毛新平，李烈軍.鋼的表面帶狀組織及其引起的冷彎裂紋[J].北京科技大學學報，2005年01期.