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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(qiáng)度和韌性、經(jīng)濟(jì)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(duì)釬桿的強(qiáng)度和韌性、耐磨性以及疲勞強(qiáng)度等有較高的要求。因此，在釬桿的設(shè)計(jì)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(yán)格控制選材、加工成形和熱處理等各個(gè)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(shí)主要采用FF-710鋼。該鋼屬高強(qiáng)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(diǎn)，最初用它試制重型釬桿時(shí)，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(yán)重，使用壽命普遍較短。經(jīng)金相分析，認(rèn)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(duì)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(xì)化晶粒的作用?！ 〗?jīng)采用滲碳—高溫回火—正火—低溫回火后，晶粒得到細(xì)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(rèn)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(jī)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(shí)為確保淬火質(zhì)量，我們采用了目前國際上較先進(jìn)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(shí)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(duì)失效釬桿進(jìn)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(gè)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(xué)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(qiáng)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(jì)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?？梢娾F桿強(qiáng)度有余、韌性不足是造成失效的主要原因。為解決這個(gè)問題，我們?cè)捎锰岣呋鼗饻囟鹊姆椒▉斫档托牟坑捕?，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(qiáng)，當(dāng)回火溫度達(dá)到400 ℃以上時(shí)才能將心部硬度控制在HRC4
6、2～46之間，這時(shí)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(dǎo)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(jì)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(jià)格昂貴，且制造成本高(高溫回火時(shí)間長，而且熱成形后還需退火才能加工)，從經(jīng)濟(jì)效益角度
7、來看還是把選材重點(diǎn)放在了23CrNi3Mo材料上；從強(qiáng)度和韌性角度考慮，經(jīng)多次試驗(yàn)，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(xué)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(xì)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(qiáng)度韌性得到最佳配合，其力學(xué)性能見表2。并且該鋼勿需退火即可機(jī)加工，高溫回火時(shí)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(qiáng)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(yàn) (1)鉆機(jī)推進(jìn)壓力：10 MPa 沖擊壓力：13 MPa
