（机械工程专业论文）重型液压台车用t45mf钎杆的研制.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 重型液压台车用t 4 5 m f 钎杆的研制 摘要 随着科学技术的进步，人类的凿岩工具发生了重大的变革。重型液压台车的 使用，不但提高了人们在工程建设施工中的工作效率，而且大大降低了人们的劳 动强度，改善了作业环境。重型液压台车能否充分发挥其强大的优势，与其配套 的t 4 5 m f 钎杆的质量起到了举足轻重的作用。 凿岩时，钎杆在凿岩机活塞高频率、大强度的冲击作用下，同时受到拉压应 力、扭转应力和弯曲应力的联合作用，服役条件相当复杂、恶劣，因而采用多种 途径提高钎杆质量，延长其使用寿命成为钎具研制的重要课题。 本文从钎杆的服役条件、受力状况分析入手，分析了钎杆的失效形式及造成 失效的原因，阐明了钎杆渗碳、碳氮共渗的原理及其淬火后的组织性能对钎杆综 合机械性能的影响，淬火热处理后钎杆从表层至心部较为合适的组织应为：细针 状马氏体+ 残余奥氏体一马氏体+ 残余奥氏体一心部低碳马氏体，且有效渗层深度 应能保证钎杆在工作时传递到心部的应力不大于钎杆的心部强度，渗层深度达到 0 6 1 2 r a m ，表层碳含量为0 8 一1 0 ，表层硬度为h r c ：5 2 - _ 6 2 ，心部硬度为 h r c = 3 5 - - 4 5 ，使钎杆表面具有较高的抗疲劳强度和耐磨性能，心部具有良好的韧 性、强度等综合机械性能。 在分析原t 4 5 分体钎杆存在用材较杂、杆体弯曲度大、螺纹加工精度不高、 热处理工艺不合理等问题的基础上，对瑞典阿特拉斯t 4 5 m f 钎杆、国产莲花山 t 4 5 m f 钎杆的显微硬度、金相组织等进行解剖分析，针对重型液压台车用t 4 5 m f 钎杆的性能要求，确定选用2 5 c r n i 3 m o 钎钢作为研制t 4 5 m f 钎杆用材，采用多道 校直工艺控制来保证钎杆的直线度，使用高精度成形刀具在数控车床上加工梯形 螺纹，确保螺纹加工的精度和粗糙度，采用渗碳与碳氮共渗联合热处理工艺，使 钎杆的渗层质量和心部韧性达到钎杆的性能要求，并直接采用井下生产实验的方 法来检测钎杆的整体质量水平。 井下生产实验结果表明，采用该工艺制造的t 4 5 m f 钎杆具有较好的综合机械 性能，其使用寿命从原来t 4 5 分体钎杆的2 0 0 米伎提高到2 8 1 米支水平，钎杆质 量达到了国产钎杆的较为先进水平，实现了课题研究的预期目标。 关键词：钎杆t 4 5 性能使用寿命热处理强度研究与制造井下实验 i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r eo f t h et 4 5 位r o c k - d r i l l i n gr o d f o r h e a v yh y d r a u l i cp r e s s u r ed r i l lt r o l l e y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g y , m 胁sr o c k - d r i l l i n gt o o l sh a v e c h a n g e dr a p i d l y 1 1 k 哪o f h e a v yh y d r a u l i cp r e s s u l ed r i l l i n gt r o l l e yc a l ln o to n l yr a i s e e n g i n e e r i n ge t f i c i e n e y , b u ta l s or e d u c et h ei n t e n s i t yo fl a b o u rg r e a t l ya n di m p r o v e e n v i r o n m e n t ：w h e t h e rw e 啪n l l i k c c o m p l e t el l s eo f t l 舱p o w e r f u la d v a n t a g eo f h e a v y h y d r a u l i cp r e s s u r ed r i n i n gt r o l l e yd e p e n d s0 1 3 t h eq u a l i t yo f t h et 4 5 m f r o c k - d r i l l i n g r o d e q u i p p e d o nt h et r o l l e y w h e n d r i l l i n gr o c k s , d r i l l m gr o di m p a c t e db yc h a r g ep i s t o n sh i g hf r e q u e n c y a n d r u g g e d n e s s ，r e c e i v e st h ec o m b i n e da c t i o no f t e n s i l ea n dp r e s ss t r e s s , t o r s i o ns t r e s sa n d b e n ds t r e s s ，i t ss e r v i c o n d i t i o ni sr a t h e rc o m p l e xa n de x e c r a b l e ，s oi tb e c o n s 粕 i m p o r t a n ts u b j e c tt om a n a g q et or a i s ei t sq u a l i t ya n dp r o l o n gi t sl i f eb yd e v e l o p i n gn e w p r o d u c t s f r o ms e r v i c ec o n d i t i o n sa n ds t r e s s e ds t t l t co f r o c k - d r i l l i n gr o d s , t h ed i s s e r t a t i o n a n a l y z e s r o d s d e s t r u c t i o nf o r ma n dt h e i r c a u s 髓e x p o u n d s t h e p r i n e i r l l e s o f c a r b o n i z a t i o na n dc a r b o n - n i t r i d i n ga n dt h ei n t l u e n e eo ft h em e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r ea f t e r q u e n c h o nt h ec o m p r e h e n s i v em e c h a n i c p r o p e r t yo f t h e r o d s a l t e rq u e n c h t r e a t m e n t , m e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r eo fd r i l l i n gr o d sf r o m t h es u r f a c e l a y e rt ot h ec e n t e rs l u l db e ：t h i ns p i e u l a t em a r t e m i t e + r e t a i n e da u s t e n i t e - - * m a r t c n s i t e + r e t a i n e da u s t e r t i t e - - * c e n t r a ll o w - c a r b o nm a r t e n s i t e ，a n dt h ee t f i c i e n to s m o t i cd e p m s h o u l de n s u r et h a tt h ec e n t r a ls t r e s st r a n s m i t t e df r o mt h ed r i l l i n gr o da tw o r kw e a k e r t h a nt h ec e n t r a ls t r e n g t ho f t h er o d , t h a tt h ed e p t ho f p e r m e a b l eb e di so 9 m f n 1 2 m m , t h a tt h ec a r b o nc o n t e n ti nt h es u r f a c el a y e ri so g 1 0 ，t h 砒t h er i g i d i t yi nt h es u f f i c e l a y e ri sh r c ( r o c k w e l lh a r d n e s s ) = 5 2 缶2 ，a n d t h a tt h ec e n t r a lr i g i d i t yi sh r c 2 3 5 _ 4 5 t og a i ns u r f a c eh i g ha n t i - f a t i g u ei n t e n t i o na n dh i l l g , hw e a r a b l ei n t e n t i o n , t h e i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t c e n t e rs h o u l dh o l dh i g ht o u g h n e s sa n di n t e n t i o ne t c o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h em a t e r i a li m p u r i t yo f t h ef o r m e rt 4 5f i s s i o n d r i l l i n g r o d s ，t h es e r i o u sc u r v a t u r e ，t h el o wp r e c i s i o no f m a n u f a c t u r eo fs c l e wt h r e a da n dt h e u n f a i rh e a tt r e a t m e n te t c ，t h es w e d i s ht 4 5 m fr o c k - d r i l l i n gr o dp r o d u c e db ya t a l a s c o p c o a n dc h i n a sl i a nh u as h a hh a v eb e e nd i s s e c t e di nm e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r ea n d m i c r o h a r d n e s s t om e e tt h en e e do ft h ec a p a b i l i t yo ft 4 5 m fr o du s e do nh e a v y h y d r a u l i cp r e s s u r ed r i l lt r o l l e y , 2 5 c r n i 3 m oi s s e l e c t e da st h em a t e r i a lf o rp r o d u c i n g t 4 5 m fd r i u i n gr o d s t h el i n e a r l t yo ft h er o di sc o n t r o l l e db ys e v e r a lp r o c e d u r e s t o e n g l l r et h ep r e c i s i o na n dr o u g h l 始s so ft h es g i c wt h r e a d , h i g hp r e c i s es h a p e dt o o li s a d o p t e dt om a k es c r e wt h r e a d so f fd i g i t a lc o n t r o l l e dl a t h e s ；t or e a c ht h eq u a l i t y o f p e r m e a b l eb e da n dt h et o u g h n e s si ni t sc e n t e r , c a r b u f i z a t i o na n dc a r b o n - n l t r i d i n ga r e u s e di nh e a tt r e a t m e n t a n dd i r e c tu n d e r g r o u n de x p e r i m e n ti sm a d e t ot e s tt h eo v e r a l l q u a l i t yo f t b ed r i n i d g r o d s t h er e s u l to fu n d e r g r o u n de x p e r i m e n ts h o w st h a tt 4 5 m fr o c k - d r i l l i n gr o d p r o d u c e di nt h i st e c h n o l o g yh a sw o n d e r f u l o v e r a l lm e c h a n i c a lp r o p e r t y i t ss e r v i c el i f e r e a c h e s2 8 1 m p i e c ef r o m2 0 0m p i e c e o ff o r m e r1 4 5f i s s i o nr o c kd r i l l i n gr o d i t s q u a l i t yc o m e st oh o m e m a d ea d v a n c e dl e v e l a n do u rr e s e a r c ht o p i ch a sr e a c h e dt h e e x p e c t e dt a r g e t k e yw o r d s ：r o c k - d r a l i n gr o d ，1 4 5 ，p r o p e r t y , s e r v i c el i f e ，h e a t t r e a t m e n t ，i n t e n s i t y , r e s e a r c ha n dm a n u f a c m r e ，u n d e r g r o u n de x p e r i m e n t i v 声明 本人声明所里交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与 我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 本人虢多可治秒 日期：加岁7 ；4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的背景及意义 凿岩钎具是人类征服岩石的基本工具，广泛应用于矿山、能源、交通、水电 等采掘工程施工中，凿岩钎杆按其结构分为整体钎杆、锥体连接钎杆和螺纹连接 钎杆三大类，螺纹钎杆又包括轻型接杆钎杆、钻车钎杆和m f 钎杆( 快速接杆钎杆， 又称为整体钎杆) 。螺纹钎杆的特点是通过钎杆上的螺纹将钎尾、钎杆、套管、钎 头通过螺纹连接成为一个凿岩钎具组，钎具组对连接螺纹的基本要求是：连接紧 密、能量传递效果好、耐磨性强以及拆卸方便，常见的螺纹形式有波形、梯形和 复合螺纹三种。t 4 5 钎杆主要是用于井下矿山采矿生产，用梯形螺纹连接的钎杆， 分为分体钎杆和m f 钎杆两种，m f 钎杆与分体钎杆的区别是：m f 钎杆的秆体与 连接套是一个接体，钎杆一端为外螺纹，另一端为内螺纹( 见图1 ”，与t 4 5 分 体钎杆比，m f 钎杆在采矿作业中，具有连接稳定、装卸方便，工作效率高，能量 损失少，更便于凿岩台车使用的优点【2 ，“。 自八十年代中后期，为适应矿山生产和工程建设的需要，开始从国外引进液 压凿岩机械，重型液压台车以其能量大，效率高，能耗低，噪音低，污染小，可 靠性高等方面的优势，已经在矿山、水利、隧道、公路、铁路等凿岩作业中得到 了广泛应用。据估计，国际钎具市场销售额在1 5 亿美元左右，其中，瑞典、芬兰、 德国、英国、美国、日本、南非的几家钎具厂占有较大的市场份额，而国内钎具 产品出口额只有6 0 0 万美元，只占0 4 1 9 1 ，随着经济建设的发展，基础工程项目 投资的扩大，先进的凿岩设备的引进将会进一步增加钎具市场的国内需求量，同 时，随着大量重型液压凿岩机械的引进，对凿岩用钎具的需求结构也会发生相应 的变化，r 2 5 、1 t 3 2 等轻型钎具需求量将逐渐减小，而t 3 8 、 1 4 5 、t 5 1 等重型液压 台车( 钻车) 用螺纹钎具的需求量则会急剧增加。 在国内的钎具产品中，液压台车用钎头、钎尾、连接套的产品质量已达到世 界一流钎具产品水平，钎头直径由中3 0 一中1 5 2 形成系列产品，然而，液压钎杆的 发展却相对滞后，这除了钎杆本身的受力复杂，技术要求较高外，也受到国内钢 材冶炼水平、钎杆素材的轧制水平和加工设备水平的限制，国内钎杆产品质量与 进口的相比存在较大差距踟，以我矿使用的重型液压台车用t 4 5 m f 钎杆为例，进 口的t 4 5 m f 钎杆的平均使用寿命在3 5 0 米支以上，质量稳定；而国产的t 4 5 m f 钎杆，如较知名厂莲花山、贵钢生产的重型液压台车用t 4 5 m f 钎杆，平均使用寿 东北大学硕士学位论文 第一章绔论 113q兹口e口兰蔷2主”目l g鼍蚓d旨司 k 疆n 匝担聋虹苫n芝、ri菌 i 嚣三 暮嚆。蝈idv k 疆_ 【 s p i l 忏 ) = iil i 船 1 i 删 怂斟 热 忒 l 叩叩 然 劁1 怂 、 l 、 、 夸 、 、 l 工 东北太擎硕士学位论文第一章绪论 命只有2 8 0 米支左右的水平，且各钎杆的寿命差别显殊。因此，国内的重型钎杆 市场的大部分份额被进口产品或其在国内设立的生产厂所占据【9 1 。 我公司是个大型地下矿山，矿石蕴藏量有2 6 亿吨，铁矿石主要有磁铁矿、半 假象磁铁矿、假象磁铁矿、菱铁矿、镜铁矿、黄铁矿、针铁矿等矿物组成，矿石 极坚固，整体很稳定，矿石强度# = 9 一1 5 。从9 4 年开始，采矿凿岩设备采用瑞典 阿特拉斯科普柯公司( a t l a sc o p e o ) 生产的重型液压台车，有h 2 5 2 、h 2 5 4 和 脚3 5 4 ( 改造) 三种型号，且目前全部使用t 4 5 m f 钎杆。 我公司从8 0 年代初就开始从事钎具的开发研究工作，生产的r 3 2 钎杆以其质 量好，使用寿命长，在矿山、工程建设中享有较高的知名度，在国内处于领先水 平，但到了9 0 年代中后期，国内的大型矿山开始大量引进重型液压凿岩设备，r 3 2 钎杆的需求量逐步减少，而t 4 5 钎杆的需求量却在逐步增加，但我公司重型液压 凿岩设备用t 4 5 钎杆的研究开发工作却进展相当缓慢，处于停滞状态，未能跟上 采矿生产的需求节奏。为适应矿业公司采矿生产的需要，跟上国内钎具行业的发 展，2 0 0 0 年，t 4 5 钎具的研究工作又重新提到议程，2 0 0 1 年底，t 4 5 分体钎杆的 井下实验表明：其平均寿命达到了2 0 0 米，支水平，同时，t 4 5m f 钎杆的研究开发 工作也开始着手进行。 为配合当前矿业公司生产需要，把t 4 5 m f 钎杆的研究与制造作为课题进行分 析研究，通过对钎杆的使用条件，国内外钎杆的解剖分析。钎杆的机加工、热处 理工艺、井下实验等内容进行分析探讨，使我公司生产的t 4 5 m f 钎杆能满足重型 液压台车对钎杆的性能要求，而且其凿岩进尺在2 0 0 米，支的基础上，提高到 2 5 0 _ _ 2 8 0 米支水平。 1 2 研究的现状及存在的问题 钎具行业是个具有近1 0 0 年历史的传统工业，自从七十年代研制出重型螺纹 钎杆以来，钎具产量大幅度增长，同时又促进了钎具工艺技术装备水平的现代化 和自动化，以及钎具质量水平的大幅度提高，特别是八十年代重型液压凿岩机的 研制成功，以其设备性能好、凿岩效率高、巷道掘进速度快、能量利用率高、动 力消耗小、工作环境污染小的强大优势，推进了重型钎杆的应用和发展，使重型 钎杆在大型矿山和工程施工中起到了主导作用。 1 2 1 国内重型螺纹钎杆的生产技术现状 ( 1 ) 炼钢方面 国内厂家，采用的多是传统的冶炼工艺，没有进行原料精选和实现炉外精练， 主要依靠人工操作，因此钎钢中非金属夹杂物和气体含量常常比较高，钢质不纯， 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 成分波动大。 ( 2 ) 轧钢方面 国内的中空钢钎杆大多是采用热穿热拔法和热穿热轧法，轧制时没有芯棒， 许多厂家在成材工序的加热没有采用步进式加热炉，也没有步进式冷床，生产出 来的中空钢主要存在以下缺陷： a 、旋状裂纹。 b 、表面有发纹，结疤脱碳。 c 、中空尺寸不规正。 d 、内孔粗糙，皱折。 存在以上缺陷的中空钢制成的钎杆在使用过程中，这些缺陷可能会成为裂纹 源，降低钎杆的使用寿命1 1 5 l 。 ( 3 ) 热处理工艺 国内普遍采用渗碳淬火+ 低温回火热处理工艺，大部分生产厂用水、油作为淬 火剂，淬火后组织性能控制不是很稳定，有时表面还会出现脱碳和过烧现象，使 钎杆局部应力峰值增大，降低了使用寿命“朝。 1 2 2 国外重型螺纹钎杆的生产技术现状 ( 1 ) 炼钢方面 国外厂家，炼钢原料都经过了严格精选，采用电炉冶炼_ j 户外精炼_ b h 真 空炉脱气处理连铸、计算机控制等现代新技术，以提高钢质的纯净度和成分控 制的精确值，炼成的钢中非金属夹杂物、气体含量都很少，钢质很纯，成分波动 小，如碳含量波动值控制在0 0 2 0 0 3 1 1 s l 。 ( 2 ) 轧钢方面 除部分采用“热挤法”和“热穿孔冷拔法”轧制钎钢外，国外绝大多数厂 家采用“机械钻孔带芯热轧抽芯法”，轧前机械钻孔( 8 左右的蔬松夹杂处金属被 钻掉1 ，步进式加热炉加热，预应力高精度专用中空钢轧机轧制( 多道次，小变形量， 辊式导卫装置1 ，步进式冷床冷却，生产出来的产品几何形状和尺寸规整，精度高， 表面和内孔缺陷极小【】”。 ( 3 ) 热处理工艺 国外普遍采用渗碳或碳氮共渗十淬回火热处理工艺，采用专用淬火剂，淬 火后的组织性能控制较为理想1 2 0 。 1 2 3 国产重型蠕纹钎杆与国外同类产品的质量对比分析 ( 1 ) 钎杆的失效形式 钎杆的失效形式主要有弯曲、磨损和断裂三种类型，进口钎杆的失效形式大 4 东北太学磺士学位论文第一幸绪论 多数是弯曲和磨损，而国产钎秆的失效形式多为断裂，即表现为疲劳断裂的特征。 ( 图4 1 4t 4 3 m f 钎杆中部外表层组织3 0 0 f i g4 1 4t h om m u u r m c a is r u c o r ea tm i d o u t e r s u r f a c e r o f t 4 5 h 球r o c k d r m i n gr o d 5 0 0 ( 图4 1 6t 4 5 m f 钎杆中部内表层组织x 5 0 0 f i g4 1 6t h ei 睇t a i l 哪西德ls t r u c t u r ea tm i d i n n e r s l i r f a c e r o f t 4 5 m fr o c k d r i l l i n gr o d s 0 0 x 图4 1 8t 4 5 m f 钎杆中部基体组织5 0 0 f i 9 4 1 8t h eb a s i cn m a n u r m c a is t r u c t u r ea tt h e m i d d l ep a r to f t 4 5 m fr o c kd r i j m gr o d5 0 0 2 1 查兰查釜罂圭芏竺丝查 釜翌兰璺翌：坐窒：堑竺墨型生：堑 图4 1 9t 4 5 m f 钎杆尾部外表层组织x 1 0 0 f i g4 1 9t h em 酏山砒g i c 矗ls m l c t u r o - ) t a i lo u t e r s u r f a o c xo f t 4 5 m fr o c k 埘1 1 i 日gr o d1 0 0 ) ( 图4 2 1t 4 5 m f 钎杆尾部内表层组织x 1 0 0 f i 9 4 2 1t h e m 啦l 蚓c a i 曲1 l 栅增a t l a i n n e r s u r f a c e r o f t 4 5 m fr o c k 枷i i 培r o d1 0 0 图4 ，2 3t 4 5 m f 钎杆尾部基体组织x 1 0 0 f i g4 ，2 3t h eb a s i cm 吐岫哪魄is t m c 山他a t t h e 协i lo f t 4 5 m fr o c ko r i l t i i l gr o d1 0 0 4 3 钎杆的结果分析 图4 , 2 0t 4 5 m f 钎杆尾部外裹层组织x s 0 0 f i g4 ，2 0t h om 渤m 删s u u c t u r oa lt a i lo u t o r s u r f a 耐o f t 4 5 m fr o c k 击j 1 溉r o d5 0 0 图4 2 2t 4 5 m f 钎杆尾部内表层组织x 5 0 0 f i 9 4 2 2t h em 嚏醵1 w 窖删s 白哪c t i i 托甜t a i lh m 苜 $ o f f l l ( o f t 4 5 m fr o c kd r i l l i n g r o d 5 0 0 x 图4 2 4t 4 5 m f 钎秆尾部基体组织x s 0 0 f i g4 2 4t h eb a s i cm e l a i l u r g i c a ls t r u c t u r ea t t h e t a i l o f t 4 5 m fr o c kd r i l l i l l g r o d 5 0 0 ( 1 ) t 4 5 m f 钎杆的头、中、尾部的硬度分布有一定的差异，表层组织为低 碳马氏体，表层硬度偏低，在热处理时存在脱碳的可能。 ( 2 ) t 4 5 m f 钎秆头部渗层较厚，中部渗层厚度较薄( 炉内气氛流通不畅) 。 且渗层厚度均在0 6 m m 以下。 ( 3 ) 表层硬度不足，渗层厚度未达到o 6 1 2 r a m 要求，对钎杆的耐磨性和 抗疲劳强度有影响，直接降低钎杆的使用寿命。 ( 4 ) 三个部位的渗层组织和基体组织基本一致，且有具有较好韧性的贝氏 体，在一定程度上防止了钎杆的脆性断裂，淬火冷却速度控制较合理。 。2 2 查! ! 垄主塑主兰竺丝圭 苎墨主! 兰婴! 堕竺型兰三兰 第五章t 4 5 m f 钎杆的制造工艺 5 1 原钎杆加工存在的问题 从2 0 0 0 年初开始中，钎具厂就进行i 4 5 分体钎杆的开发研究，采用渗碳热处 理工艺，并进行了多次井下实验，但最高进尺只达到2 0 0 米支水平，同时，产品 质量不稳定，各钎杆的寿命相差悬殊，与生产要求存在较大的差距，其主要问题 如下： ，。 ， ( 1 ) 材料供应不稳定，每次使用的钎钢品种不同，如f f 7 1 0 、2 3 c r n i 3 m o v a 、 3 0 s i m i b m o v a 、2 7 s i m n c r n i m o a ，因而难于较好地掌握各材料的热处 理性能。 ( 2 ) i 4 5 钎杆弯曲度较大，经检测单支最大弯曲达6 - _ 7 如m ，在凿岩回转时 造成径向摆动在2 0 r a m 以上，不但增大了钎杆的弯曲应力，导致钎杆折 断，也大大降低了凿孔的精确度。 ( 3 ) 钎杆表面硬度不足，且不均匀，高低相差悬殊，h r c 硬度在4 2 - _ 5 8 之 间波动，使用寿命短。 ( 4 ) 螺纹配合精度不高，配合较松，加速了钎杆的磨损，或配合过紧，造成 钎具拆卸困难。 ( 5 ) 热处理工艺不合理，经初步金相检测表明，存在较大数量的粗针状马氏 体，大幅度降低了钎杆的疲劳强度，另外还存在碳黑等不良组织。 5 2 制造t 4 5 m f 钎杆的加工和检测设备 在进行钎杆的研制时，选择使用能满足t 4 5 m f 钎杆研制要求的机加工设备、 热处理设备和产品质量检测设备是保证试制出合格钎杆的基础条件。 结合当前现有条件，t 4 5 m f 钎杆研制选用的主要设备如表5 1 。 表5 1t 4 5 m f 钎杆研制选用的主要设备 序号设备名称型号备注 1 数控车床 c a k 6 1 6 3 2 热处理炉r q 4 1 4 0 - 9 3液压校直机 4 显微( 里氏) 硬度计 h x 一2 0 0 5 金相显微镜a x i o p h o t2 2 3 查i ! 苎兰坚主兰竺丝圭 董三主翌! 婴! 堕竺型兰三兰 5 3 制造t 4 5 m f 钎杆材料的选择 如前所述，t 4 5 m f 钎杆在凿岩作业时，存在剧烈磨损和高强度的腐蚀性，且 一直处于弯、扭、拉、压循环应力联合作用，受力条件和工作条件相当复杂、 恶劣，因此用于制造t 4 5 m f 钎杆的材料必须满足如下基本要求： ( 1 ) 具有高的耐磨性和韧性 t 4 5 m f 钎杆的螺纹磨损是主要失效形式之一，且螺纹部位所受应力很大，要 求螺纹部位具有足够的耐磨性和较高的韧性。 ( 2 ) 具有高的疲劳强度和足够的刚性和弹性 t 4 5 m f 钎杆的破断是在高频冲击应力作用下产生的疲劳断裂，湿式凿岩时具 有较强的腐蚀作用，且为接杆凿岩，所以要求钎杆用钢具有较高的疲劳强度、好 的刚性和足够的弹性。 ( 3 ) 具有低的缺口敏感性和低的疲劳裂纹扩展速率 具有低的缺1 2 1 敏感性和低的疲劳裂纹扩展速率，可以延长疲劳源孕育期和疲 劳裂纹扩展期，提高钎杆的服役期限。 ( 4 ) 具有一定的高温硬度和抗高温软化性能 由于钎杆在作业时，高频冲击易产生高温，具有该性能可降低因高温引起的 硬度降低和快速磨损，提高钎杆的使用寿命。 基于上述条件，选取2 5 c r n i 3 m o ( 化学成分见表5 2 ) 作为t 4 5 m f 钎杆制造 用钢，该钢种经过热处理后，表面具有高的疲劳强度和耐磨性，心部有良好的综 合机械性能，低温冲击韧性也较好。 表5 22 5 c r n i 3 m o 材质的化学成分： t a b l e5 2t h ee h m i c a lc o n g r u e n to f 2 5 c r n i 4 v i os t e e l 从化学成分来看，较低的含碳量在基体强化后可获得板条马氏体，由予合金 元素的存在，钎杆在热处理后可得到较好的综合机械性能，m o 的存在不但可形成 碳化物，阻止晶粒长大，起到细化晶粒的作用，而且还可以使钎杆淬火后获得少 量含残余奥氏体的板条马氏体，延长疲劳源的孕育期及疲劳源的扩展，n i 的存在 可大大提高钎杆的淬透性，c r 的存在可提高钎杆的耐腐蚀性能。总之，2 5 c r n i 3 m o 在淬火后( 空冷或油冷) 可获得板条马氏体组织，而且在板条马氏体之间有可能 存在连续的薄膜状的残余奥氏体，可使钎杆获得高韧性性能【】。 2 4 东北天学硕士学位论文第五章t 4 5 m f 钎杆的制造工艺 5 4t 4 5 m f 钎杆直线度的控制 钎杆的直线度对钎杆的使用寿命有重大影响。钎杆的直线度不好，会使钎杆 在偏心状态下工作，不但损失冲击功，而且会产生弯曲应力，增大钎杆疲劳破断 的机率，因此，在进行制造时一方面加强对钎杆原料直线度的监测，采用适当的 热处理工艺及设备，减少热处理变形：另一方面，在钎杆加工过程中采用钎杆毛 坯料和成品两道校直工序，使钎杆直线度严格控制在l 范围内；第三，选择合适 的加工设备，通过控制两端冲击端面和螺纹轴线的垂直度，保证多支钎杆联接的 直线度，以达到降低整个钎杆组的弯曲度。 5 5t 4 5 m f 钎杆的梯形螺纹加工 与其它形式的螺纹相比，梯形螺纹因其具有联接稳定、传递功率大、高扭矩、 拆卸方便快速的性能，广泛应用于重型螺纹钎杆。但用一般车床加工t 4 5 螺纹时 存在因刚度不足、受人为因素影响加工精度控制难度大、生产效率低的问题，于 是引进了c a k 6 1 6 3 数控车床，用于开发t 4 5 梯形螺纹联接钎杆，数控车床因其采 用自动控制，加工精度和效率高，较好地解决了原钎杆1 4 5 螺纹加工中存在的加 工精度和互换性的问题。 ( 1 ) 刀具选择 在研制初期，采用普通合金刀磨削成形，因每次刀具存在误差，用该刀具加 工的梯形螺纹配合性能较差，螺纹结合面存在点或线接触的问题，造成钎杆螺纹 部位易磨损，直接影响了钎杆的使用寿命。 因钎杆用材为低碳高强度合金钢，强度、硬度高而难于切削加工，采用定制 高强度的、高精度的梯形螺纹成形刀，专用于t 4 5 螺纹的加工，解决了梯形螺纹 配合精度差的问题，保证了梯形螺纹的加工精度，同时，螺纹成形刀宽度尺寸小 于螺纹宽度尺寸，以避免在加工过程中出现螺纹两侧面同时车削的问题，保证螺 纹两侧面的加工粗糙度。 ( 2 ) 螺纹尺寸参数确定 联接螺纹及过渡区域是钎杆的最薄弱环节，合理处理该部位结构对提高钎杆 使用寿命起到至关重要的作用。通过测绘和多次实验检测，最后确定了t 4 5 螺纹 的参数尺寸( 见图1 1 ) 。 螺纹的底径与侧面为圆弧过渡，螺纹收刀采用与螺纹内径相同的退刀槽结构， 并且退刀槽与杆体间采用锥度过渡，以增加钎杆的柔性和减轻应力集中。 t 4 5 m f 钎杆的机加工工艺见表5 3 。 2 5 东北大学硕士学位论文第五章t 4 5 m f 钎杆的制造工艺 表5 3t 4 5 m f 钎杆的机加工工艺 工j ：序工 设备名称内容及要求 序名称步 锯床 l 下料 1 钎钢选用2 5 c r n i 3 m o ，定尺下料l = 1 6 2 5 ”，端面平直。 2 校直 1 锤打校直，要求直线度l m m m 夹毛坯外圆，平人端面车中6 5 外圆，钻车底孔由3 5 ，底 普通车床 3 圭 1 孔深1 0 0 + 1 ，孔底平面与内孔垂直。 调头，平小端面，保证长度尺寸1 6 2 0 + 2 m m m ，内孔口倒角3 2 x 3 0 0 夹毛坯外圆，顶住小头，车外螺纹外圆、退刀槽、t 4 5 外螺 数控车床 4 奎 l 纹及倒角。 调头，车应力环，由4 6 毛坯外圆用尼龙套托住，车内孔、 2 退刀槽、倒角及t 4 5 内螺纹。 铣车 5 铣 1 铣板柄槽，两端板柄槽在同一方向上。 热处理 6见热处理工艺图 校直机 7 校直 1 热校直，全长弯曲度l t r a n m 2 浸油、防腐处理。 检验 81 检验、入库。 5 6t 4 5 m f 钎杆的热处理工艺 5 6 1 钎秆的热处理工艺要求 恰当的热处理工艺能够最大限度地发挥材料的潜能，2 5 c r n i 3 m o 是一种低碳 高强度合金钢，采用渗碳淬火工艺是合理的。渗碳处理能增加表面含碳量，经过 淬火可以显著提高钎杆的抗弯、抗压及接触疲劳强度，同时使钎杆获得高强度的 表层和高韧性的心部相结合，且表层可获得残余压应力，通过对炉气碳势的控制 达到对渗碳组织及其含碳量的控制，较细的表层及心部的晶粒度，可以增加钎杆 的整体强韧性。因此，对钎杆的热处理工艺要达到如下要求： ( 1 ) 渗层深度：o 6 一1 2 m m ，渗碳浓度：o g 一1 o ( 2 ) 表面硬度：m 犯5 2 6 2 ( h v 5 4 3 - - - 7 3 0 ) ( 3 ) 心部硬度：m 配3 5 _ 0 5 ( h v 3 2 弦4 3 5 ) ( 4 ) 表面晶粒度：9 1 1 级，心部晶粒度：g l o 级 ( 5 ) 组织表层；马氏体+ 少量残余奥氏体+ 少量粒状碳化体 ( 6 ) 心部组织：板条马氏体( 或下贝氏体) + 残余奥氏体 渗碳时碳势过高，容易在渗层中形成大块碳化物和网状碳化物，这种形态分 布较差的碳化物的存在，使渗层脆性增加，疲劳强度大大降低。所以，应将碳浓 2 6 东北走学磁士学饺论文第五章t 4 5 m f 舒抒的制遗工艺 度控制在0 8 1 o ，以避免网状碳化物的出现，并且可以保证在渗碳层中存在微 爨豹、弥教分布、圆整度较好的靛状碳化物，满足在韧燃下洚不多豹翦提下，邀 一步提高滏度和耐磨性。在渗碳艨中无论蹩表层还是心部簧存在少量残余类氏体。 残余奥氏体里薄膜状包裹在马氏体边晃，能缓冲玛氏体领域产生互相接触碰撞， 从而延缓疲劳裘纹豹扩餍弼。 如前所述，钎杆通过热处理聪，其众相组织必须符如下要求：最外层为回 必马氏雩搴，显徽硬度达到h r c 5 2 ( 辩5 3 5 ) 隘上，次屡为霞灭骂菠髂或嚣火骂 体和回火屈氏体，使其心部为低碳马氏体或低碳马氏体和铁素体，显微硬度达到 h r c 4 5 ( 耩舛3 5 ) 毅下，荻镬表甏锌释暴有较高鹣瓣密瞧饔拣痰劳强度，t 各都叉 臻有足够的强度和韧性，使钎杆在使用过程中不易产生弯曲、塑性变形和早期断 裂，慈之遴过熬娥理使镑抒可获褥蹇努麓综合撬攘性憨。 5 6 2 钎秆的碳氮共渗热处理工蕊 碳氮共渗比单独渗碳工艺可较大幅度地提高强度川，对提高服役条件相当恶 劣豹野抒寿命具露较好豹效果，健考虑列碳氮共渗存在表强硬度和硬化屡不足等 问题，又糯入单独渗碳工艺，因此钎杆的热处理正艺采用单独渗碳和中漱碳氮麸 渗相结合的方式，如图5 1 。 ( 1 t 4 5 m f 钎秆采糟深并式渗碳妒( 有效深度秀2 0 m ) ，用氧探头检测炉内 碳势，三段式热电耦撩温。 ( 2 ) 2 5 c r n i 3 m o 酶a e l 鸯7 粥，a c 3 为8 7 0 0 ，e n 茭渗溘废为8 5 0 c ， 共渗时间为7 小时，麸渗剂选用煤油和氨气，氮气占炉气总体积的2 5 ；纂狻渗穰激疫尧9 3 0 c ，渗碳辩闯为3 夺辩， 銎爨漓为渗羰雾l ，鬏 据渗碳的不同阶段，渗碳浓度控制在o g 一1 0 范围内。c n 共渗后， 又进簿攀独渗骧，其瓣戆是为了攫丈锋耔表瑟含碳鬓黢挺裹漳火湛度， 以及使碳化物完全奥氏体化。 ( 3 ) 渗碳嚣淤雾纯零秀淬火套矮，采惩喷雾最冷封钎抒避孬淬火。由予 2 5 c r n i 3 m o 高铬镍总含量，淬遴性好，采用喷雾风冷即可保证其淬透性。 ( 4 ) 淬火最，采爆2 2 0 ( 2 低滠回火两次。 2 7 查i ! 苎兰堡主兰竺笙圭 董兰主翌! 墼! 型! 塑型兰三兰 时间t u n e ( h ) 图5 1 钎杆渗碳热处理工艺流程 f i g5 1t h ec a r b o n i z a t i o ni r e a t m e n tt e c h n o l o g i c a lf l o ws h e e to f r e c kd r i l l i n gr o d 该次共试制t 4 5 m f 钎杆2 0 支，于3 月2 6 日至4 月3 日进行了井下现场生产 实验，但效果不理想，其平均凿岩迸尺只有1 4 1 9 6 米支，钎杆早期断裂较多，存 在较大问题，只有提前终止本次实验( 详见第六章6 1 第一次井下现场实验) 。 5 6 3 钎杆碳氮共渗热处理分析 为找出钎杆中存在的问题，委托梅山公司技术中心检测实验室对两支断裂钎 杆和一支未经热处理的钎杆进行显微硬度测试和金相分析。l 样为断裂钎杆断裂部 位取的金相分析试样，2 0 样为断裂钎杆中部取的金相分析试样，3 0 样为另一支断裂 钎杆断裂部位取的金相分析试样，4 4 样为未经热处理钎杆上取的金相分析试样。 ( 1 ) 显微硬度测试 用线切割割取横截面金相分析试样，经研磨、抛光、侵蚀后进行显微硬度测 试。1 4 样内表层效硬化层深度为1 3 5 r a m ( 见图5 2 ) ，2 4 样外表层效硬化层深度为 o 8 8 m m ( 见图5 3 ) ，3 4 样外表层的有效硬化层深度为2 4 n m a ( 见图5 4 ) ，内表层 的有效硬化层深度为1 0 1 n m f l ( 见图5 5 ) 。 表5 , 41 # 样内表层显微硬度分布 l 距内表层距离( m 呻 0o 1o 20 30 40 50 ，6o 70 8o 9 11 11 21 31 41 5 r 显微硬度( h v 0 2 ) 6 7 26 3 96 4 46 5 56 8 96 8 37 4 67 2 06 6 67 0 16 2 86 1 86 2 35 7 l5 2 45 3 2 2 8 p l昌瑙赙 东北大学硕士学位论文第五章t 4 5 m f 钎杆的制造工艺 = 跏 至7 3 0 7 0 0 g6 5 0 6 0 0 皇5 5 0 餐锄5 0 0 0 0n l0 20 30 40 50 60 7 0 8 0 9 1 01 11 21 31 41 5 距离d i s t a n c e ( i ni n ) 图5 2 1 # 样内表层显徽硬度分布图 f j 9 5 2 t h e m i c r o h a r d n e s s d i s t r i