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1、重型釬桿的工藝探索及選材摘要 從金相組織、強度和韌性、經(jīng)濟效益三方面綜合分析研究了FF-710、23CrNi3Mo等多種材料，得到了適合制造重型釬桿的專用新鋼種——18CrNi3MoV和新的熱處理工藝：滲碳—高溫回火—淬火—低溫回火，使重型釬桿的使用壽命有了明顯的提高，大大縮短了與國外產(chǎn)品的差距?！ ⒃~ 重型釬桿 材料選擇 熱處理工藝1 引言 由于釬桿使用過程中工作條件比較惡劣，對釬桿的強度和韌性、耐磨性以及疲勞強度等有較高的要求。因此，在釬桿的設(shè)計制造過程中，首先要解決的問題是選擇合適的鋼種；其次是冷、
2、熱加工性能、熱處理工藝及成本等。為了生產(chǎn)出高質(zhì)量的釬桿，必須嚴格控制選材、加工成形和熱處理等各個環(huán)節(jié)。其中，選材與熱處理尤為重要，它們相互制約，材質(zhì)決定了熱處理工藝，反過來熱處理效果又成了選材的依據(jù)。2 從金相組織角度調(diào)整工藝及選材 開始時主要采用FF-710鋼。該鋼屬高強度鋼，已廣泛用于釬頭制造領(lǐng)域?！ 「鶕?jù)該鋼材的性能和特點，最初用它試制重型釬桿時，熱處理工藝為：滲碳—正火—低溫回火，所得的金相組織如圖1。圖1a表示粗大針片狀馬氏體和大量殘余奧氏體組成的滲碳層組織，圖1b為以粗大上貝氏體為主加下貝氏體和
3、板條狀馬氏體組成的心部組織。圖1 滲碳層和心部的金相組織(400×) 但釬桿試用效果很不理想，早期脆性斷裂情況嚴重，使用壽命普遍較短。經(jīng)金相分析，認為與晶粒粗大及心部上貝氏體組織粗大所引起的組織結(jié)構(gòu)的方向性有關(guān)。針對上述問題，重新調(diào)整熱處理工藝，在滲碳后增加高溫回火工序，目的是使?jié)B碳后所形成的粗大組織分解，析出碳化物以便在隨后的正火過程中起到阻斷組織遺傳及細化晶粒的作用。 經(jīng)采用滲碳—高溫回火—正火—低溫回火后，晶粒得到細化，組織結(jié)構(gòu)得到一定程度的改善，釬桿壽命有所提高。但與國外產(chǎn)品相比，壽命仍然很低。我
4、們認為根本原因是釬桿正火后心部所獲得的上貝氏體組織其綜合機械性能較差。要使釬桿疲勞壽命大幅度提高，就必須用淬火的方式，使低碳板條狀馬氏體取代上貝氏體組織，因此將熱處理工藝調(diào)整為：滲碳—高溫回火—淬火—低溫回火。同時為確保淬火質(zhì)量，我們采用了目前國際上較先進的淬火劑?！ 〗?jīng)現(xiàn)場使用，釬桿的壽命有較大提高，但早期脆性斷裂情況仍時有發(fā)生，壽命長短差距較大。3 從硬度角度調(diào)整工藝及選材 對失效釬桿進行分析，發(fā)現(xiàn)使用壽命與心部硬度有關(guān)。在確保釬桿整個橫截面全部淬透(即心部全是馬氏體)的情況下，釬桿的韌性與硬度有著直接
5、的關(guān)系。硬度取決于鋼材的化學成分，其中碳含量起決定性的作用。隨著碳含量的增加，釬桿的硬度增大即強度提高而韌性降低。我們所使用的FF-710鋼，碳含量為0.24%～0.30%，淬回火硬度為HRC46～52。數(shù)理統(tǒng)計表明：使用壽命低的釬桿其硬度大多偏高，而使用壽命高的釬桿其硬度反而偏低。可見釬桿強度有余、韌性不足是造成失效的主要原因。為解決這個問題，我們曾采用提高回火溫度的方法來降低心部硬度，從而提高心部韌性，但效果并不好。原因是FF-710鋼抗回火性強，當回火溫度達到400 ℃以上時才能將心部硬度控制在HRC4
6、2～46之間，這時釬桿螺紋部位滲碳層表面硬度則大幅度降低，從HRC60以上降至HRC55以下，釬桿耐磨性能也大為降低，滲碳層剝落開裂，導致釬桿提前失效。顯然提高回火溫度的辦法是不足取的。因此，我們最后放棄了FF-710而選用含碳量較低的23CrNi3Mo和20Cr2Ni4A鋼來試制釬桿，熱處理后經(jīng)現(xiàn)場使用，釬桿壽命大幅度提高，尤其是后者提高得更多。4 從經(jīng)濟效益角度調(diào)整工藝及選材 20Cr2Ni4A鋼制造的釬桿壽命雖高，但價格昂貴，且制造成本高(高溫回火時間長，而且熱成形后還需退火才能加工)，從經(jīng)濟效益角度
7、來看還是把選材重點放在了23CrNi3Mo材料上；從強度和韌性角度考慮，經(jīng)多次試驗，最后將該材料碳含量定為0.18%；從工藝性能上考慮，適量加入合金元素釩，最后得到適合制造釬桿的專用新鋼種18CrNi3MoV，其化學成分見表1。經(jīng)熱處理(滲碳—高溫回火—淬火—低溫回火)后，金相組織如圖2。圖2a是由細針片狀馬氏體和少量殘余奧氏體組成的滲碳層，圖2b是由板條狀回火馬氏體組成的心部組織。心部硬度在HRC42～46之間，強度韌性得到最佳配合，其力學性能見表2。并且該鋼勿需退火即可機加工，高溫回火時間也大為縮短。表1
8、元素CMnSiPSCrNiMoV含量(%)0.180.380.290.010.0141.052.880.230.06表2屈服極限(MPa)抗拉強度(MPa)延伸率(%)收縮率(%)沖擊韌性(J/mm2)82094020591478309502069147圖2 滲碳層和心部的金相組織(400×)5 18CrNi3MoV鋼釬桿的現(xiàn)場試驗 (1)鉆機推進壓力：10 MPa 沖擊壓力：13 MPa
