低碳马氏体钢重型凿岩钎杆的研制

1、低碳马氏体钢重型凿岩钎杆的研制肖上工王仪康(涟源钢铁有限公司)(中科院金属研究所)摘要介绍了重型液压凿岩机钎杆专用低碳马氏体钢(27SiMnNi2CrMoA)的成分设计和工艺要点、现场凿岩试验结果、显微组织特征、强度和韧性配比关系、可以通过空冷对钎杆强韧化处理等特点。关键词低碳马氏体钢残余奥氏体凿岩钎杆液压凿岩机LOW CARBON MARTENSITE STEEL FOR ROCK DRILLING RODXIAO Shanggong(Lianyuan Iron and Steel CoLtd.)WANG Yikang(Institute of Metal Research Academia

2、 Sinica)ABSTRACTA dirllsteel,27SiMnNi2CrMoA,for the high capacity hydraulic rock drill has been developed.Introduced and discussed are:its alloying design,production technique,field test results,micro-structure features,strength-toughness combination,and characteristics in heat treatment,i.e.strengt

3、hening and toughening through air cooling.KEY WORDSlow carbon martensite steel,retained austensite,rock rolling rod,hydraulic rock drill液压凿岩机是新型高效率凿岩机械，我国自1975年以来先后从国外引进了1200余台重型液压凿岩机，这种凿岩机最大冲击功率是根据当时凿岩钎具用合金钢和制造工艺所能达到极限承受水平确定的，是在现代凿岩波动力学、材料科学最新成就基础上发展起来的1，因此对所需钎具(钎头和钎杆等)提出了更高的要求。本文报道了重型凿岩机钎杆用低碳马氏体钢(

4、27SiMnNi2CrMoA)研制经过和所制造的凿岩机用钎杆凿岩试验结果。1对重型凿岩机用钢的要求和成分设计1.1对重型凿岩机钎杆用钢的要求常用的重型液压凿岩机凿岩钎杆直径为3238 mm，带有913 mm中心孔，长3.05.5 m。在液压凿岩机冲击功为340 J条件下，钎杆受到的实际应力为840 MPa。一般要求制钎用钢材断裂强度1.62.4倍的钢材疲劳负载，则其强度应1600 MPa。普通合金钢部件安全应用的疲劳负载上限一般为600 MPa左右，而重型凿岩机用钎杆的疲劳负载为840 MPa，已属于极限设计。故应选用对疲劳裂纹扩展不敏感的合金钢制作钎杆，同时还需要考虑对钎杆的表面处理工艺。重

5、型凿岩钎杆所用钢材必须具有足够的韧性，即足够大的导致发生断裂失稳(脆断)临界缺陷。对上述尺寸的重型凿岩钎杆，不会发生脆断的临界缺陷尺寸为缺陷半径(Rcr)5 mm，其可换算为，在重型钎杆受力为840 MPa条件下，该钢断裂韧性的临界值(KC)99.2 MPa*m1/2 2。为了防止重型凿岩钎杆在使用过程中“堆顶”失效，要求钎杆必须有足够高的抗压强度。钢材抗压强度与钢的碳含量有关，可适当提高合金钢的碳含量。还必须考虑钢材淬透性能，保证钎杆能够通过适当淬火工艺得到均匀的淬火组织。同时也要考虑该钢的机加工性能、抗腐蚀性能和所加入合金元素成本问题。提高钢中硅含量达1.3 %以上，可使该钢马氏体分解温度

6、上升到350 以上，从而在300 以下回火时能得到稳定的回火马氏体。在钢中加入钼的前提下，将碳含量控制在0.30 %以下，可以得到含残余奥氏体的板条马氏体组织。增加钢中锰和镍含量，在空冷或等温淬火的条件下均能使钎杆得到均匀板条马氏体组织。在钢中含镍前提下，适当地加入铬可提高钢材耐大气腐蚀性能和钎杆的涂(漆)装性能。1.2成分设计(1) 重型凿岩钎杆用低碳27SiMnNiCrMoA马氏体钢设计成分(%)：0.240.30 C，1.201.50 Mn，1.301.70 Si，1.652.00 Ni，0.200.40 Cr，0.300.45 Mo，Cu0.20。对有害元素控制要求(%)：S0.025

7、，P0.025，Sn0.02，Sb0.02，As0.08。(2) 试验用钢的主要化学成分(%)：0.27 C，1.59 Si，1.38 Mn，1.90 Ni，0.29 Cr，0.35 Mo，0.024 P，0.007 S。其常规力学性能见表1。表 1试验钢的力学性能Table 1The mechanical properties of tested steels热处理工艺b/MPas/MPa/%5/%AKV/JHRCKIC/MPa*m1/2920 ×30 min正火1700.0130341.6013.032.548110.01)920 ×30 min正火+890 ×

8、;30 min1611.5133353.6012.838.248112.1油淬+200 ×60 min回火注：1)KQ值(3) 相变特征温度为：Ac1：709727 ，Ac3：795799 ，Ms：319324 ，Mf：192206 。 2重型凿岩钎杆用钢和钎杆的生产工艺工艺流程：碱性电弧炉冶炼模铸(钢包吹氩、喂丝)650轧机开坯中空钢轧制制钎。工艺要点：该钢白点敏感性强，故生产中采用低氢冶炼，钢锭、钢坯亦采用缓冷工艺；穿拔中空钢时控制冷却速度，以控制成品硬度；制钎工艺的关键在于热处理和表面强化处理，具体热处理工艺见表1。3钢钎凿岩试验结果3.1不同材质钎杆寿命对比试验试验在长沙矿冶

9、研究院钎杆寿命试验台上进行3。试验材料为55SiMnMo、24SiMnNi2GrMoA和27SiMnNi2CrMoA钢，试验钎规格、长度为JB2828/32×2500 mm，液压凿岩机型号为YYG80A，冲击频率2500 Hz。试验结果表明，目前国内通用的55SiMnMo钢钎杆寿命不稳定，稳定系数(最高寿命/最低寿命)高达5.91，考核JB28钎杆的一项重要指标30 min以上寿命存活率仅为42.5 %；国内通用凿岩钎头用钢24SiMnNi2CrMoA制钎杆的30 min以上寿命存活率可达100 %，但发现钎杆尾端有明显的“堆顶”现象，并在端面发生大量麻点状剥落；用27SiMnNi2

10、CrMoA钢制造的钎杆寿命最高，钎尾也没有堆顶现象4。3.2重型凿岩机钎杆现场试验(1) 自贡试验试验地点：四川省自贡市富台山隧道试验时间：1988年2月岩石性质：坚固砂页岩，f810，断层多凿岩机型号：COP1038HD冲击功：340 J冲击频率：3800次/min钎杆规格、长度：JB3232/38×4300 mm共投入试验钎4支，平均寿命717 m，稳定系数为1.98，用户认为此批试验钎优于国内同类产品。(2) 三山岛金矿试验试验地点：山东省三山岛金矿试验时间：1989年12月1990年1月岩石性质：黄铁矿石英岩，f1214凿岩机型号：水星300冲击功：300 J冲击频率：300

11、0次/min钎杆规格、长度：JB3232/38×4270 mm共投入6支试验钎，平均寿命1121 m，用户认为涟钢采用27SiMnNi2CrMoA钢生产的中空钢，总体质量好，若在制钎工艺上加以改进，完全可以代替进口钎杆。(3) 弓长岭井下铁矿试验试验地点：鞍钢弓长岭井下铁矿试验时间：1990年3月1日5月29日岩石性质：磁铁矿石英岩，f1416耐压强度：123.17200.25 MPa凿岩机型号：水星300冲击功：300 J冲击频率：3000次/min钎杆规格：T38×1200 mm第一批25支试验钎，平均寿命83.64 m，第二批30支试验钎，平均寿命93.5 m。过去，

12、该矿曾用过其他材质钎杆，平均寿命仅为2030 m。从现场试验结果看，使用27SiMnNi2CrMoA钢制造接杆钎，可以大幅度地提高钎杆寿命。4分析与讨论4.1基体显微组织特征27SiMnNi2CrMoA钢相变临界冷却速度很低，可通过空冷或经920 ×30 min正火890 ×30 min油淬200 ×60 min回火处理在3238 mm钎杆截面上得到板条马氏体组织。在电镜下观察，其原奥氏体晶界清晰，每个晶粒内包含几束互成小角度的马氏体板条。采用X射线及透射电镜暗场法测得残余奥氏体量为3 %8 %。这种条状马氏体内部含有高密度的位错亚结构(图1)。该钢奥氏体同马氏体

13、取向介于K-S与N之间的中间关系，即(111)A(011)M，(101)A与(111)M之间的角度为05.3°，这与Sandvik及Wayman的结果相图 127SiMnNi2CrMoA钢淬火回火组织电镜照片(920 ×30 min正火890 ×30 min油淬200 ×60 min回火)Fig.1Electron microscope photography of quenching-tempering structure of 27SiMnNi2CrMoA steel(920 ×30 min normalization890 ×3

14、0 min oil quenching200 ×60 min tempering)一致5。该钢马氏体板条组织中有相当稳定的残余奥氏体薄膜，无论是油淬，还是空冷，其残余奥氏体含量始终保持在3 %8 %之间，残余奥氏体的存在破坏了脆性大的马氏体相的连续性，提高了基体组织对裂纹扩展的阻力，因此该钢具有高强度和高韧性，用其制作重型凿岩机钎杆是很适宜的。4.2强韧性配比关系现场试验所用的27SiMnNi2CrMoA钢钎断裂源处的临界缺陷尺寸在710 mm之间波动。按钎杆实际受力为800 MPa估算，这些钢钎断裂韧性应为KC120 MPa*m1/2左右，这个数值与试验所实测值基本相符(表1)。按

15、表1实测值估算试验钢断裂力学韧度(KC/s)为0.0846 m1/2。根据断裂力学韧度分级，KC/s0.08 m1/2为韧性材料。由此可见，用此种低碳马氏体钢制造的重型钎杆之所以使用效果良好，其原因就是它在高强度水平下仍能保持高韧性。4.3热处理工艺性能由钎杆工作载荷谱分析表明，钎杆领盘前部的高值应力频次比钎杆中部大6。而领盘在锻造成形时，由于局部加热的热影响区的作用，将会使领盘前部位疲劳强度相应下降。当此部位与由载荷谱确定的高损伤区重合时，其就会成为钎杆上最容易断裂的薄弱环节。在用27SiMnNi2CrMoA钢制钎时，可以利用它的相变临界冷却速度不高的特点，采用锻后余热淬火工艺，对领盘部位实

16、行强韧化处理，消除先期发生断裂的灶源。将27SiMnNi2CrMoA钢的B25钎杆分为两组，一组做淬火+回火处理，在另一组的领盘根部采用锻后余热处理。第一组钎杆共9支，从领盘根部断裂的为5支，断裂率为55 %，而另一组采用锻后对领盘根部余热淬火，无一支从领盘根部断裂。5结论(1) 低碳马氏体钢(27SiMnNi2CrMoA)在高强度水平下能保持高韧性，热处理工艺性能好，能在空冷条件下对钎杆进行强韧化处理，表明该钢适宜制造承受强烈冲击载荷的部件。(2) 低碳马氏体钢(27SiMnNi2CrMoA)制造的波形螺纹、梯形螺纹重型凿岩机用连接杆，能够承受高强度凿岩冲击载荷，其工作寿命已经达到国内领先水平，是制造重型液压凿岩机用钎杆的“优选”钢种。参考文献1Martensson H.Materials for Rock Driling Tools lnter-Minerals Aymposium.1982,93972腾华元，王