钎钢与钎具知识讲解.doc

本文由选写，转载请注明！材质及冶轧工艺的影响 凿岩钎具由于在钻爆工程中受到凿孔直径的限制，其横截面积均很小。然而，这种细长的杆件，却要在剧烈磨损和具有腐蚀介质作用的条件下，承受高频率(20003000次ml。r)、高冲击功(294J左右)凿岩机施加的拉、压、弯、扭等循环应力。根据负载大小和岩石固性等条件的不同，其凿岩寿命常常只有几分钟到十几个小时。钎具用钢种，必须首先满足钎具工作的这个基本特点。截齿 钎具破断的主要抗力指标是应力腐蚀条件下的拉压疲劳强度。钎具用钢必须具备足够高的疲劳强度，适当的塑性和韧性，尤其应有良好的韧性，以保证钢材具有较低的疲劳缺口敏感性。钎杆是在循环应力下工作的，对于钢材的循环韧性要求很高，只有具备了良好的循环韧性，才能保证钢材消振性能良好，并降低钎具疲劳裂纹的扩展速度。钎具是在极为苛刻的环境下工作，钎具用钢还必须具有一定的抗腐蚀性能，主要是耐大气和矿水的腐蚀能力。 含碳量在07010的碳素工具钢，是国内外早期用于浅孔凿岩的钎钢钢种，匹配低频率、低冲击功凿岩机，尚能适应当时的钻凿工程需要。随着凿岩机的发展，碳素工具钢的抗疲劳强度愈来愈满足不了钻凿要求，虽然后来为改善该钢种的淬透性、细化晶粒、提高韧性而加入了015030钒或047070铬的碳素工具钢，其用量已经日益减少，终究还是要被合金钎钢所取代。矿山机械配件 我国的中、大直径钎杆，钻凿中、深岩孔的35SiMnMc，v钎钢仅进行正火处理后的试验接杆钎杆，平均使用寿命可达300m支左右。若经过化学热处理及表面抛丸强化后，其平均钻凿寿命可达420m支。但是，在近10年来国外先进的高频率、大功率液压凿岩设备大量进入我国，该钢种的塑性、循环韧性及其抗疲劳强度冶轧质量的影响 钢中非金属夹杂物是疲劳裂纹的源点，同时也破坏了基体的连续性，从而引起应力集中。夹杂物越大，疲劳强度的降低越多。真空熔炼的气体及非金属夹杂物含量较普通熔炼的低得多，因而其疲劳强度也高得多。因此，现代中空钢的冶炼均采用电弧炉冶炼一真空脱气一炉外精炼的方法，尽量提高钢的纯净度。这就是说，钎具原材料的冶轧质量与其冶轧工艺和装备的先进程度有很大的关系。“合金铸管”法工艺制造中空钢的特点，就是能促使合金钢管较为牢固的浇铸在中空钢锭内，轧制后能使中空钢的内表面形成一层合金内衬管壁，在一定程度上强化其内表面，以提高钎杆的钻凿寿命。但是，在冶炼过程中，由于锭型小，缩孔、夹杂物等冶金缺陷较为集中在钢锭表面和合金钢管与基体钢粘结的界面上。轧制后，这些冶金缺陷延伸为条、线状随机地分散在钢材的横截面上。制成钎杆凿岩使用，在矿水的冲刷和应力腐蚀条件下，极易产生裂纹源。钢坯经机械中心钻孔加合金衬管工艺轧制的中空钢材，由于钻孔精度低及装芯技术与装备等因素的影响，其衬管与基体钢粘结不良，局部分离的现象较为严重。有的产生变形和折叠，形成尖角，引起应力集中，萌生疲劳裂纹源。截齿 55SiMnMo、35SiMnMoV等钎钢钢种的夹杂物主要为含Ca的氧化物。当夹杂物细小、弥散分布时，对疲劳破断的影响不大，只有集中成群或呈链状分布时才具有很大的影响。钎杆钻凿失效的主要表现为内外疲劳形态，其疲劳裂源一般集中在钎杆的内外表面上。裂纹源点还往往在那些具有一定尺寸(015020ram)的凹坑、伤痕和折叠处产生。这些表面缺陷极易引起应力腐蚀，而且最大的应力值就在微裂纹的底部区域。在电极电位差的作用下，底部电位更负，促使裂纹向纵深扩展的趋势更大。“钢坯钻孔”韧性。一旦在杆体或钎肩附近出现这种组织，寿命就会降低。制造中使用盐浴炉回火超温，由于热传导作用；钎肩处温度上升到400C以上，往往会形成回火贝氏体，而造成钎杆早期破断。凿岩条件的影响 凿岩中岩石是基本的条件，岩石硬度越高，钎杆所受的复合循环应力也就越大，其使用寿命就越低。通常，凿岩机功率越大，活塞冲击频率越高，活塞的应力波形愈陡，峰值愈高，则钎杆所承受的循环应力也就越大。钎杆在腐蚀性介质中工作，对钢材的疲劳极限影响也很大，表明了介质对钢材疲劳影响的介质对钢的疲劳极限影响. 在水的腐蚀作用下，钢的疲劳极限下降了15倍。这种在介质腐蚀作用下所发生的疲劳过程称为应力腐蚀疲劳。钎杆在钻凿时，其水孔中有1939MPa压力的矿水冲刷，外部有带岩粉的矿水腐蚀。事实上，在酸性水质腐蚀下工作，钎杆易于发生内疲劳破断；在中性或碱性水质腐蚀下工作，钎杆又易产生外疲劳破断。所以，若能防止矿水与钢材接触，即可大幅度提高钎杆的使用寿命。截齿 凿岩过程中操作不当将会增加钎杆附加弯曲应力，如表28所示。表中列出了由于凿岩机晃动而引起的作用于钎杆上的附加弯曲应力值。 综上所述，正常凿岩条件下钎杆所受的弯曲、扭转应力，均较轴向应力峰值小。轴向拉压应力引起的疲劳破断是钎杆破断的主要原因。钎杆在钢种、冶炼、轧制、几何结构及其参数、锻造、机加工、热处理等方面的内在缺陷，以及缺陷，以及附加弯曲应力、机械磨损、酸性水腐蚀、不利的凿岩机型和岩性、劣质钎头、不正确的操作等，都将使这种破断加剧。 带耳圆形和菱形两种截面的中空钢是专门用于制造采煤用煤钻杆的。采用这种截面形状的中空钢，在热状态下扭成的麻花状钻杆，其圆形截面的两耳或菱形截面的菱角，就像金属切削加工中的切削刃，在煤层及其他软岩条件下，能有效地实现钻凿作业。当今，带耳圆形截面的中空钢，几乎已全被菱形中空钢所取代。矿山机械配件 其他截面形状中空钢均用于通常条件下的凿岩作业。根据其使用条件、岩石特性予以选择。经过长期的钻凿实践，当今国内外的中空钢，基本上是以正六角形和圆形两种截面形状为主。将这两种截面中空钢相比较，正六角形中空钢还具有刚度大、钻凿排粉效果好、凿岩速度快等优点，因此，在钻爆工程中需求量最大。钻凿隧道、涵洞、井巷使用最多的为内切圆直径19、22、25、28、32、35、38、45mm的正六角形中空钢和直径为32、38、45、51ram的圆形中空钢。 按中空钢的用途可分为三类 (1)制造浅孔凿岩钎杆(俗称小钎杆)用中空钢 对于岩孔深度在8m以下的凿岩作业，大多采用单支钎杆钻凿的方式进行。因此，从钎杆的刚度、排粉效果、钻凿速度等方面考虑，此类用途的中空钢基本上均采用正六角形截面。由于浅孔凿岩的使用范围很广，对钻凿装备等凿岩条件要求较低(例如可以大量采用手持式风动凿岩机等)的原因，这种中空钢在钻爆工程中占有很大的比例，大约占整个中空钢用量的70以上。截齿 (2)制造钻凿中、深岩孔用螺纹连接钎杆(俗称大钎杆)中空钢对于钻凿8m以上深度岩孔的凿岩作业，必须采用多支钎杆连接作业的方式进行。为了解决多支钎杆的连接结构，便于在钎杆两端车制螺纹(以便使用带螺纹的连接套筒进行连接)，多采用圆形截面的中空钢。 近几年来，为了减轻凿岩钎杆的单支重量，提高凿岩机功率的传递效率，在强度与刚度允许的条件下，也有采用正六角形截面的中空钢的。这类中空钢的用量约占整个中空钢的2030。质。在疲劳载荷下服役田而钎钢更应具有结构钢的一般性能a特别是在硬质台金钎头应用以后，钎杆主要作为传递凿岩机冲击功的一种构件，并不直接作为破碎岩石的工具。这样，对钎钢的性能要求就更应考虑疲劳载荷下的受力状态。在中、高将率与大功率冲击作用下，钎杆应有好的抗冲击疲劳性能。采用湿式凿岩后，钎钢还应有好的耐矿水腐蚀能力等。矿山机械配件 前所述，钎杆在钻凿过程中承受的应力有三种： 1)轴Iq应力；在钻凿过程中。钎杆在凿岩机活塞的冲击和岩射下，主要承受轴向拉压应力。它“应力渡的形式在活塞。岩石Z问往复传递，使钎杆*十拉压疲劳状a 21扭转应力：镕塞后m时，钎杆在凿岩机套筒的带动下扭转角度。自T岩粉和孔壁等的摩擦阻力作用，钎杆承受扭转应m n倒如YGS0型凿岩机的扭转力矩为19613N m，螺牧钎杆最薄弱n(螺纹根酃过渡域)的最大扭转应力哪。3 14MPa。YT25型凿岩机所使用的中角锥形连接钎杆其扭转力女95Nm，最大扭转应。m=1l 47MPa。可日。钻营中的m转应力是极为散小的。 31弯曲应力：钎杆本身足一种细长杆件，其中B22mm十!一、形锥形钎杆的细Km为1：100，m螺纹连接钎杆的目长m更太c目此在多次冲击式钻凿的轴向推进口t，不可避免地自然振动而，生附加的弯曲应力。另外。钻凿本身就存在倡心阻力且要打斛孔、上岩孔、下岩孔、水平岩孔。此时，钎杆的自重也带束弯曲力。钎杆本身不平直存在若一定的弯曲度，凿岩机与钎杆轴线重合在钻凿过程中的“憋m”、夹钎等附加因素也形成弯曲由f钎杆钻凿中处在高额状，篮际t镕些弯曲部位也处f弯疲劳中。截齿 自岩实践表明，钎杆的破断失效，在常情况下都是疲劳破断。其断I：1形态如前所连，都有痖劳裂耀的生成，瘫劳带的发展过程及最后的脆断发生。钎杆在每一瞬间母受的最大应力应该轴向拉压应力与弯曲应力的叠加。若从冲击凿岩对中空钢性能面考m分清楚钎杆在钻凿过程中承受哪种应力是i要的，对中i钎钢钢种的设计有着重大的意R。它们均要求钢材的净度高、缺口敏感性低、散观塑性好而同时具有足够的抗疲劳强度。但是不同的应力状应有不同的特殊要求。若在钻凿过E中，钎杆所承受的应力尾“轴向拉压应力为主。钎钢钢种的设计应该“高的抗冲击疲劳性能去n理。即按月“小能量多吠冲击疲劳”去设计。在保证钎钢具有一定的冲击韧性的前提下尽可能地提高强度若在钻凿过程中杆所承受的应力是H弯曲应力为主应在保证钎杆基体钢具有一定的疲劳度基础上尽可能大的提高其表面疲劳度。 钎杆所承受的娃大合成应力值为723 73MIPh。由弯曲应力所引发的弯曲疲劳是钎扦破断的要目索。在这一主导g想下，钎钢钢种设计采用提高弯曲疲劳强度的途径特别是采用化学热处理和抛丸工艺强化钎杆表面。在钢的金相组织方。过分地追求目火单相马氏体组织，月“提高钎杆的抗弯曲疲劳强度忽略T循W韧性，造成钎杆能具有较高的钻凿寿命。 根据前章所#，从锥m连接钎杆工怍中所承受的应力状态及破断机理可知钎杆属于应力疲劳(高周疲劳)破坏是应力值与循环敬效所构成的钎杆疲劳破断。在冲击钻凿下钎杆“轴向拉应力通过杆体将应力谴传播给钎*“破碎岩体。然后钎头在岩体的&作月下，将入射的应女波形成反射渡传播给杆体。在高额率循环次数的冲击作用下，应力波在钎杆内H声速(S200ms)往返传播促使钎杆形成高周疲劳破嘶。除了机械应女之外，还应考虑所产哇的应力渡传递给仟杆造成破坏的影响。在高、中鞲率冲击凿岩条件T，由机械造戚的应被会P，E叠加目共振其最大共振应力可能超过材料的抗断强度。这就要求锕质具有良捎震能力即有较好的稚坪韧性，材质基体应有较大的内耗。这两种途径，一种是在相组织钢种设计中，使其复相结构(多相组的混台物)较粗大，内部第三类应自较小微观颦性较好的分布；男一种途径是在处理组织厦几何结构设计中使其有适的破“共振的域存在，Pp让应力波在传播过程中有紊乱域存在，不tf叠加到危险的程度。截齿 除T上述两方面的要求虾。还应考虑到湿式作业条件下，许钢承受矿水腐蚀的作用即钎钢是在应力疲劳和r水腐蚀条件下I作的。在这种腐蚀条件下钎锕不存在干燥条件下的疲劳饭限H将极大迪降低钎钢钻凿寿命。在利用台金元素和热处理提高拉强度时(相应也提高了干燥状态T的疲劳极限)井车能据高萁腐蚀疲劳限。国外除采用磷化挂蜡法进行钎杆目腐n理2外，还有采用不辑锕自对作防腐目的，谴不太符合中国的资源状m，采用合金钢管或化学涂层怍钎钢的*腐目。是一种有效的方法。 除了考虑凿岩使月要求之外应考虑中空锕生产的工艺能性自制钎工艺的台理性。倒如。中钢制作钎杆过程中的锻性。在热n理中，钎杆是一细Km极大的长杆件，若钎杆垒K淬火处理则热n理设备困难处理中所P生的挠度变形也难止。因设计钢种时一定要使杆体尽可能避免整体淬火的方R 练所进冲击凿岩对中宅钢的性能要求为： 11E够高的疲劳强度；矿山机械配件 2)适量塑性#韧性，尤萁是具有自好的微观塑性，“保证镕材有较低的疲劳缺口敏感度； 3)良好的榷g韧性，从而保证钢材的消振性能自好并且迁q降低疲劳裂缝的扩屉速率， 4)一定的抗腐蚀能力，主要是耐大气矿水的腐蚀； 5)自好的工艺性能。包括冷、热工锻造#热处理性能； 6)此外应尽可能地采用符台国情资根的钎钢钢种。 f2)计原理根据拉压疲劳日循环韧性白勺土g考虑从组织方来说目火索体(调质状态)或M体钢都有可能满足钎钢冲击凿岩的性能要求。目火马体组织对拉压疲劳要求较高瓶对循坪韧性要求稍低的钎杆也有一定的好处。若从循环性方面考虑，复相组织H 基于上连金栩组织的捌女R基于我国资潭的状况，在实验室棚种试验的基础t，60年代末设计了两十较好的皿体钎钢铜种，即55SiMnMo和35SIMnMoV。 贝氏悻铜具有自好的强度与韧性配合因而有可能具有良好抗冲击疲劳强度。从热址理工艺性能方面考虑，细长杆件的钎杆全长进行整体热处理R有火处理才最合适。这样就琏免整体淬火的过谴变形开裂，其I艺也经济简单可掌。经过t火处理的舛氏体钢，得自的是复相组织(皿氏体型转变是一种不完垒型转变)，基体组缇还可能包括马氏体自铁索悻(仅就低台盒锕iI石言)。若钢神设计得合理，并且淬透性设汁得足够的话，尚能促使正火条件下不碰d珠光体转变域，而穿过皿氏体的=相E体与奥氏体二相)玲温。截齿这样，对拉压疲劳和循环韧性都有好处。因为，避开进入珠光体E就避免T片状珠光体的出现，而片状珠光体的m现将会诬大地降低宸劳极限。为使钢种t火穿过m体B就*将珠光体转变向右移相对来说，氏体就往左移。m银元素m是逸种有敏的合盘元素，它是形成氏体的主要台元素外若从应力分析方面考虑，钎杆承受的最大台戚应m自333 43MPa。矿山机械配件困此。钢的静压强度()应达到1176 79MPa水平。迁要求有足够的谇硬性#谇透性。对于中空角形锥形连接钎杆，接钎月尾柄