提高螺紋釬桿壽命的途徑

摘要　從螺紋釬桿的材質選擇、中空鋼生產工藝和制釬工藝等方面，結合國內外生產實踐，提出了提高螺紋釬桿壽命的途徑。
　　敘詞　螺紋釬桿　提高壽命　途徑
　　螺紋釬桿由于復雜的受力狀態和惡劣的工作條件，其實際工作壽命只有幾十分鐘到幾十小時。隨著鑿巖機械向大功率、高頻率的方面發展，全面提高螺紋釬桿壽命已是當務之急。國內外提高螺紋釬桿壽命的途徑有幾個方面：一方面是從鑿巖機械的結構上進行不斷改進，例如，從氣動鑿巖機一頭大另一頭小的活塞發展到液壓鑿巖機的等徑圓柱形活塞，在保證鑿巖速度不斷提高的同時，改變了鑿巖應力波的波形，并減少了作用在釬桿上的破壞應力；另一方面是提高釬桿材質的綜合機械性能和中空鋼的生產工藝水平，盡量減少釬桿內在的和外來的各種缺陷，以保證釬桿具有高的質量和使用壽命。當然，鑿巖時的正確操作和管理，釬具之間(釬尾與聯接套、釬桿與聯接套、釬桿與釬頭)的良好配合以及它們各自的加工精度，也是保證釬桿壽命的基本條件。
　　本文只就螺紋釬桿的材質選擇、中空鋼生產工藝、制釬工藝(包括鍛造、機加工、熱處理、表面強化和防腐處理等)結合國內外生產實踐，作一些粗淺的分析。

1　對螺紋釬桿的基本要求

　　螺紋釬桿包括接桿釬桿、輕型接桿釬桿、鉆車釬桿和MF釬桿等，對這些釬桿的基本要求主要表現在以下幾個方面：
　　(1)高疲勞強度和高斷裂韌性的配合。
　　從文獻〔1〕可看出，螺紋釬桿的斷裂主要是疲勞斷裂，其主要原因是釬桿要承受鑿巖機的高頻沖擊力和軸推力，而且，螺紋釬桿是細長桿件，在斜向鑿巖和水平鑿巖時，由于受釬具組自重的影響，往往還使釬桿產生彎曲應力。所以，螺紋釬桿的材質必須具有高的疲勞強度和高的斷裂韌性。
　　(2)良好的彈性和耐磨性。
　　螺紋釬桿在鑿巖過程中，無論是水平作業、垂直作業或斜向作業，由于鑿巖機推力的變化、巖石的不均勻性或存在裂隙、孔洞、開眼時巖面的不平度過大或開眼的不正確操作等，都經常使釬桿在不同彎曲狀態下工作。如果彎曲狀態嚴重或釬桿彈性欠佳，就會造成釬桿彎曲折斷而早期失效。所以，釬桿必須具有良好的彈性。
　　螺紋釬桿兩頭的螺紋結構，是聯接整套釬具和傳遞鑿巖應力的重要部位。從文獻〔1〕的分析得知，螺紋部位是螺紋釬桿失效的最主要部位，其失效機理是微動磨損和沖擊磨損先后作用的結果，因此，螺紋部位的耐磨性往往是螺紋釬桿壽命的決定因素。
　　(3)好的防腐蝕能力。
　　目前，接桿釬桿在露天鑿巖作業時，多采用孔口捕塵的干式鑿巖，而在井下作業時，采用濕式鑿巖。鉆車釬桿絕大部分采用濕式鑿巖。螺紋釬桿內孔受高頻高應力和水(往往是帶酸性的水)腐蝕的共同作用，這是造成釬桿內疲勞斷裂的主要因素，所以，螺紋釬桿必須具有好的防水腐蝕的能力。
　　(4)高的平直度和剛性。
　　螺紋釬桿的平直度和剛性是取得高的鑿巖效率的重要保證。在鑿巖時，釬桿要在250　r/min的旋轉狀態下工作，如果平直度低或剛性不足，釬桿就會在偏心打擊下工作，一方面損失了一部分鑿巖能量，另一方面產生了彎曲應力，增加了釬桿疲勞破壞的幾率。釬桿的平直度越高，剛性越好，其傳遞鑿巖應力的效率也越高，鑿巖速度也越快。
　　(5)良好的結構設計。
　　螺紋釬桿是傳遞高頻高應力的桿件，構件的斷面變化可引起應力變化和應力集中，斷面變化越大，應力傳遞的效率越低，而破壞應力卻越大。所以，釬桿良好結構的設計原則是：盡量避免或減少過劇的斷面變化，采用合理的和緩慢的斷面變化過渡，選擇盡可能大的過渡圓弧。當然，提高加工精度，即提高不同斷面之間中心的對中性和螺紋配合的互換性、減小配合間隙、降低加工表面的粗糙度等，都對提高釬桿壽命有利。

2　提高螺紋釬桿壽命的途徑

　　螺紋釬桿的制造其主要環節是：材質的選擇、中空鋼生產工藝的選擇和制釬工藝，而制釬工藝主要包括鍛造、機械加工、熱處理、表面強化、防腐處理等。提高螺紋釬桿壽命的途徑，主要是從上述各個方面綜合考慮，抓住主要矛盾，重點解決薄弱環節，不斷改進和完善工藝要求。由于篇幅有限，本文只對上述各個方面提出一些主要思想和原則意見。對一些工藝的評價，只是個人淺見，僅供參考。

2.1　螺紋釬桿的材質選擇
　　螺紋釬桿必須具有高的疲勞強度、彈性、剛性和韌性，而強度和韌性又是相互矛盾的。螺紋釬桿的桿體，屬細長桿件，不宜進行復雜的熱處理，只能通過最佳的熱處理工藝獲得疲勞強度、彈性、剛性和韌性的綜合性能配合。螺紋釬桿的兩頭螺紋是整套釬具組的聯接部位，它的失效機理是微動磨損和沖擊磨損，因此，要求螺紋部位表面高硬度耐磨，心部有足夠的韌性，防止折斷。眾所周知，材料的性能，往往要經過熱處理才能充分發揮其最大的潛力，所以，材質的選擇經常與熱處理工藝一同考慮。
2.1.1　國外螺紋釬桿材質的選擇
　　目前，國外螺紋釬桿的材質歸納起來有兩大系列。一大系列是以低碳、高強度、高淬透性、高韌性的CrNiMo系合金鋼為主，含碳量在0.25%左右，含Ni量在3%左右，最具代表性的鋼號是25CrNi3Mo，其熱處理工藝路線為：整體滲碳→控制冷卻→螺紋部位淬火→低溫回火。整體滲碳后控冷使桿體獲得所需的硬度，保證桿體的剛性和彈性；隨后的螺紋部位淬火、低溫回火使螺紋表面獲得高硬度和高壓縮應力而得到高疲勞強度和高耐磨性。國外大部分螺紋釬桿都采用這種材質和熱處理工藝路線。
　　另一個系列仍是CrNiMo，但含碳量在0.30%～0.45%之間，有的國家增加Cr和V或調整一下Ni含量，采用的熱處理工藝是中空鋼軋材時控制冷卻，保證桿體硬度；螺紋部位進行調質處理后再進行高頻淬火，從而獲得表面高硬度和高壓縮應力，而且具有高疲勞強度和高耐磨性。這個系列也有不少國家采用，但一般只用于D45、D51，少量也用于D38接桿釬桿。
2.1.2　我國螺紋釬桿材質的選擇
　　60年代中期，因為我國缺乏Cr、Ni資源，所以，合金鋼新鋼種的研究指導思想是發展SiMnMo系列，研制出的35SiMnMoV鋼作為我國螺紋釬桿的推薦鋼種，并一直延用至今。但作為螺紋釬桿用鋼來說，如果采用滲碳淬火+低溫回火的熱處理工藝，因為該鋼種含碳量偏高，且Si、Mn元素與Cr、Ni元素相比，尤其在高強度的情況下，其韌塑性指標要比CrNiMo系鋼低得多；如采用滲碳等溫淬火工藝，則損失了表面硬度和壓縮應力，降低了螺紋的疲勞強度和耐磨性，釬桿壽命也難以提高。所以，從60年代到80年代中期，我國螺紋釬桿(主要是長度大于1　200　mm的規格)只能采用淬火+中低溫回火或等溫淬火的熱處理工藝，這是我國螺紋釬桿壽命與國外相比差距較大的主要原因。
　　25CrNi3Mo鋼與35SiMnMoV鋼的常規機械性能見表1。從表1數據可以看出，在空冷條件下，CrNi3Mo系的沖擊韌性高于SiMnMoV系，而且強度也高。在淬火狀態下，CrNi3Mo系低溫回火時的強度和韌性值，SiMnMoV系要在提高回火溫度或進行等溫淬火時才能達到。若二者都滲碳后按表1工藝來處理，CrNi3Mo系的螺紋部位表面硬度高、壓縮應力高，既耐磨又可提高壽命；而SiMnMo系升高回火溫度或等溫淬火，卻降低了滲碳的螺紋表面硬度、耐磨性和壓縮殘余應力，從而縮短了使用壽命。

2.1.3　桿體硬度的控制
　　在國外的螺紋釬桿產品和技術資料中不難發現(甚至包括B22、B25小釬桿)，其桿體硬度都控制在HB400左右，因為釬桿是細長桿件，要求其具有良好的剛性和彈性。彈簧鋼具有最好彈性的硬度范圍是HRC44～48。當熱軋表面硬度超過HB430以后，疲勞強度將下降，所以，為了保證釬桿桿體硬度，往往通過軋后控制冷卻、中頻整體正火或整體滲碳后控制冷卻甚至重新調整成分來加以保證。
2.1.4　螺紋釬桿顯微組織的控制
　　國內外許多研究發現，當CrNi3Mo系鋼的含碳量低于0.30%時，在淬火狀態(空淬或油淬)可獲得板條狀馬氏體組織，而且在板條狀馬氏體之間存在連續的薄膜狀的殘余奧氏體，并證實這種組織結構是這種鋼獲得高韌性的重要保證。這種結構在其它低碳CrNiMo系鋼中也有發現。它的存在可以提高疲勞裂紋擴展的門檻值，同時也降低疲勞裂紋的擴展速度。
　　最近，我國學者研究發現，在SiMnMo系鋼中，通過成分調整也能獲得淬火板條狀馬氏體，板條狀馬氏體之間也存在薄膜狀殘余奧氏體。其厚度約為5～20 nm，淬火組織中殘余奧氏體量約為5%，馬氏體板條內存在高密度位錯。

2.2　中空鋼的生產工藝
　　國外中空鋼的生產工藝主要是鉆孔法，即連鑄圓坯→車外圓→鉆孔(不同規格鉆不同直徑的孔)→裝芯→軋制→抽芯→成材。
　　我國螺紋釬桿中空鋼的生產工藝有以下幾種：
　　(1)熱穿熱拔(或熱軋)法：小圓坯→熱穿孔→減徑→熱拔(或熱軋)→成材。
　　(2)合金鑄管法：中空錠→裝芯→開坯→軋材→抽芯→成材。
　　(3)鉆孔法：方坯→鉆孔→裝芯→軋材→抽芯→成材。
　　各種中空鋼生產工藝的特點：
　　(1)國外鉆孔法采用連鑄圓坯，并車去表皮1.5～2.5　mm，消除了連鑄圓坯表面可能產生的缺陷；鉆去了鋼坯心部的冶金缺陷，并采用性能最優的CrNi3Mo系鋼、專用中空鋼軋機軋制，冶煉和軋制的質量都高，是目前最理想的螺紋釬桿中空鋼材，但價格高。國內方坯鉆孔法，表面修磨不夠徹底，鋼材形狀和幾何尺寸低于國外產品，成材率較低，成本較高。
　　(2)熱穿熱拔(熱軋)法工藝簡單，生產率和成材率高，鋼材形狀和幾何尺寸也能達到高標準。但內外表面質量欠佳，尤其是內孔表面質量，這恰恰是螺紋釬桿要求最高的部位。所以，很難生產出高壽命的產品。
　　(3)合金鑄管法工藝，雖然在我國小釬桿生產中取得了很好的成績，但用于螺紋釬桿時，由于其錠型小、壓縮比小，存在縮孔、疏松、非金屬夾雜等嚴重冶金缺陷，而且，鋼材的形狀和幾何尺寸較差，很難生產出高壽命的產品。不過，其內外表面質量比熱穿熱拔(或熱軋)法的好，只要制釬工藝得當，相應的補救措施跟上，還可以生產出滿足國內要求的產品。

2.3　鍛造成型和機械加工工藝
2.3.1　鍛造成型工藝
　　對于螺紋釬桿來說，只有輕型接桿釬桿、鉆車釬桿、MF釬桿需要鍛造，而且只需鐓粗兩端(鉆車釬桿和MF釬桿只鍛一端)。螺紋釬桿的鍛造一定要選擇大鐓鍛力的臥式鐓鍛機。鍛造加熱，最好采用中頻加熱。加熱的溫度控制很重要，許多螺紋釬桿壽命低或壽命波動大的原因，很大程度出自鍛造。鍛造過程中，操作人員往往自覺或不自覺地將鍛造加熱溫度升高一些，這樣可以增加鍛件的高溫塑性，更易鍛出豐滿的毛坯，尤其是在噸位偏小的鍛釬機上鍛造時，加熱溫度更高，使鍛件在多數情況下處于過熱甚至過燒的狀態。這樣處理的鍛件形狀雖然很好，但在隨后的機加工或搬運過程中出現“掉頭”現象。因為這樣的組織狀態很難在以后的工藝過程中消除，無法承受高頻應力的作用而過早失效。螺紋釬桿鍛造后或未經鍛造的熱軋狀態中空鋼桿坯(即螺紋部位)要經過退火處理，以便消除鍛造加熱或熱軋狀態組織的影響。
　　機加工前，加工部位要進行局部軟化退火處理。國外采用窄縫式退火爐來完成，國內大部分廠家采用箱式爐或中頻退火。但中頻退火效果欠佳，箱式爐退火往往加熱段過長，過長加熱部分未能進行最終熱處理而影響了釬桿的壽命，這個問題尚未引起生產廠家的重視。
2.3.2　機械加工
　　螺紋釬桿機械加工包括螺紋部位車外圓、過渡槽和螺紋加工。車外圓和過渡槽一般用普通車床或靠模車床，螺紋加工國外普遍采用非圓液壓仿形車床，國內也有用此設備的(如貴陽鋼廠)，但多數廠家采用“旋風銑”、樣板刀或尖刀凸輪裝置加工。
　　從上述幾種加工的螺紋成型原理可知，用旋風銑或尖刀凸輪裝置加工的螺紋線是由小臺階組成的，造成螺紋表面的粗糙度增加，容易引起應力集中或疲勞源的產生。樣板刀加工的效率低，螺紋形狀也有接刀痕跡。非圓液壓仿型加工的效率最高，螺紋成形也有小臺階現象，應引起生產廠的注意。
　　機加工的另一個問題是螺紋的豐滿度問題。尖刀凸輪裝置加工出的螺紋形狀比較瘦，即豐滿度差，在使用過程中，螺紋的相對磨損量少一些，沖擊磨損期會提前，釬桿磨損失效也會提前。用旋風銑、樣板刀或非圓液壓仿形加工時，隨著刀具的磨損，螺紋形狀會“胖”一些，會產生螺紋檢驗套套不進去而出現加工廢品。當然，機加工前的退火軟化也很重要，退火軟化不好，硬度偏高，車刀磨損快，加工精度波動大。

2.4　熱處理工藝
　　在材質選定以后，螺紋釬桿的熱處理是提高和保證釬桿壽命的關鍵。
2.4.1　國外熱處理工藝
　　國外大部分螺紋釬桿選擇25CrNi3Mo鋼，采用整體氣體滲碳工藝。該工藝要有投資大的深井式氣體滲碳爐，其滲碳層厚度、表面碳濃度、滲碳溫度、滲碳時間、爐內滲碳氣氛、冷卻過程等，都可以通過微機進行控制，所以，能保證獲得理想的質量和性能。整體滲碳后，兩頭螺紋重新進行中頻淬火和低溫回火，以獲得螺紋部位的高耐磨性。桿體硬度是通過整體滲碳后控制冷卻來達到的。
　　國外也有一些廠家選擇中低碳CrNiMo系鋼，兩頭螺紋調質處理后進行高頻淬火。桿體硬度是在中空鋼生產時進行控制軋制來獲得的，螺紋部位高頻淬火的淬硬層厚度一般控制在2.5　mm以下。
　　國外熱處理工藝的特點是：滲碳淬火和高頻淬火都能使釬桿螺紋表面獲得高硬度和耐磨性，同時還獲得高的表面壓縮應力。表面壓縮應力和板條馬氏體及板條內的薄膜狀殘余奧氏體結構可以提高表面疲勞強度、疲勞斷裂的門檻值，減小疲勞裂紋的擴展速率，這對提高螺紋釬桿的壽命十分有利。
2.4.2　國內螺紋釬桿的熱處理工藝和性能特點
　　國內φ32×1 200 mm的接桿釬桿，絕大部分采用35SiMnMoV鋼和氣體滲碳工藝。國產的105　kW氣體滲碳爐，可處理1 200 mm長的桿件。由于35SiMnMoV鋼的含碳量偏高，滲碳+淬火低溫回火時，釬桿的韌塑性低而壽命不高。滲碳+等溫回火可提高心部的韌塑性，但滲層的表面硬度不高，螺紋的耐磨性降低。所以，只有選擇含碳量為0.23%的合金中空鋼，才有可能提高短螺紋釬桿的壽命。
　　B28、B32、B35、D38、D45、D51規格的螺紋釬桿，絕大部分的長度大于1　200　mm，若無深井式氣體滲碳爐，無法采用氣體滲碳+淬火低溫回火工藝。有的廠家曾試用局部滲碳代替整體滲碳如液體滲碳。但液體滲碳存在鹽浴流動性差、鹽浴表面結渣造成堵塞心孔的缺陷，在大批量生產中執行該工藝有很大難度。所以，目前國產的上述系列釬桿，多采用35SiMnMoV、Z708或者30CrNi3Mo鋼，無大型深井式滲碳爐的只能采用淬火+中低溫回火或等溫淬火等工藝。這類工藝因鋼種含碳量高而不經滲碳，只進行淬火，表面硬度不高，螺紋部位耐磨性差。所以釬桿壽命一直上不了高水平。有深井式氣體滲碳爐的釬具廠因其設備配套性差(如整體滲碳后尚無控冷手段)，整體滲碳后產生的彎曲很難矯直，所以，國內螺紋釬桿的熱處理水平與國外先進水平相比仍有較大差距。

2.5　表面強化工藝
　　表面強化工藝是指螺紋釬桿桿體的機械噴丸或滾壓等冷加工表面強化工藝。國外由于采用了整體滲碳工藝，在控冷的條件下桿體表面也能獲得一定的表面強化效果，所以取消了表面強化工藝或只作防腐處理前的表面清理。表面機械拋丸和噴砂能提高螺紋釬桿桿體的表面硬度和彎曲疲勞強度，從而提高桿體剛性、彈性和疲勞壽命。但螺紋釬桿的斷裂主要在螺紋部位和過渡槽區域，而桿體斷裂的幾率較低，加上拋丸裝置的易損件壽命低，拋丸故障率高，所以表面強化工藝在螺紋釬桿生產過程中往往被忽視或不重視。

2.6　精整和防腐處理
2.6.1　精整
　　精整的目的主要是提高螺紋釬桿的平直度。由于螺紋釬桿在生產過程中經過很多工序，這些工序的吊裝、運輸和處理過程，往往增加了釬桿的彎曲，所以在防腐處理前將釬桿進行矯直，保證釬桿的平直度達到產品標準的要求，即1 mm/m以下。釬桿的平直度對保證釬桿的鑿巖效率、減少彎曲疲勞應力和外觀質量是很重要的。我國螺紋釬桿很難進入國際市場的最大困難除釬桿的質量和壽命外，就是平直度太差。
　　目前，國內尚無有效的六角螺紋釬桿的矯直設備，瑞典Sandvik公司采用的是三支點高臺式矯直機，矯直精度達0.5 mm/m。圓形螺紋釬桿的矯直，國外采用多級雙斜輥圓棒矯直機，矯直精度可達0.5 mm/m；　國內也有雙斜輥圓棒矯直機，但穩定性差一些。
2.6.2　防腐處理
　　由于螺紋釬桿在高頻高應力和水腐蝕的條件下工作，尤其是釬桿的內孔，通常通入1.5　MPa的水，水在內孔有較大的流速，所以釬桿內孔容易形成腐蝕坑而引發疲勞源，形成疲勞源后腐蝕疲勞裂紋擴展速率也很高，這是螺紋釬桿產生內疲勞斷裂的主要原因。
　　國外的螺紋釬桿采用整體氣體滲碳工藝，在處理過程中，釬桿內孔也經受了滲碳，內表面含碳量增加，其耐腐蝕性能降低，同時，內表面也因含碳量增加而缺口敏感性增高。所以，防腐處理對螺紋釬桿內孔來說是十分重要的，它是防止內疲勞斷裂的重要措施。
　　瑞典Sandvik公司采用的是SR防腐處理，其實質是磷化處理后用地臘封孔；磷化前，釬桿內孔和外表面都經過噴砂或噴丸處理。由于磷化層是與鋼鐵表面附著力很強的蜂窩狀結構，加地臘封孔，地臘有很強的疏水性，所以隔離了水對內孔的腐蝕作用。SR處理是該公司早年著名的專利之一。
　　瑞典法格斯特公司所用的防腐處理是靜電噴漆生產線。漆呈粉末狀干粉，在密閉的生產線通道中，在靜電作用下，粉末吸附在釬桿的內外表面(處理前內孔和外表面也經過噴砂、噴丸處理)。經過烘道加熱后，粉末熔化變成漆膜，牢固地粘附在釬桿內孔和外表面上。我們曾對這種漆膜用王水煮沸2～4　h，未見漆膜脫落。
　　國內對螺紋釬桿的防腐處理研究很少，尤其是對釬桿內孔的防腐處理。通常在釬桿生產出來后，只進行外表面噴漆，內孔不加任何處理。這是我國螺紋釬桿與國外螺紋釬桿差距較大的又一個原因。

3　結束語

　　從上述分析可以看出，我國螺紋釬桿與國外螺紋釬桿相比，無論在鋼種材質和中空鋼的冶軋生產工藝上，還是在制釬工藝(包括鍛造、機加工、熱處理、防腐、表面強化等)方面，都存在不小的差距。我國從1974年開始研制D38螺紋釬桿、1982年開始研制D32鉆車釬桿以來，經過了眾多研究院所、高等院校和釬具生產廠的共同努力，部分解決了我國經濟建設對螺紋釬桿的需求。從今后的發展趨勢來看，21世紀我國將有大量的基礎設施建設項目，這些項目的建設大都需要大量的螺紋釬桿，我國目前的螺紋釬桿狀況肯定不能滿足經濟發展的需要，而出現大量進口的局面，這方面應引起有關部門的注意和重視。