提高螺纹钎杆寿命的途径
摘要 从螺纹钎杆的材质选择、中空钢生产工艺和制钎工艺等方面，结合国内外生产实践，提出了提高螺纹钎杆寿命的途径。
叙词 螺纹钎杆 提高寿命 途径
螺纹钎杆由于复杂的受力状态和恶劣的工作条件，其实际工作寿命只有几十分钟到几十小时。随着凿岩机械向大功率、高频率的方面发展，全面提高螺纹钎杆寿命已是当务之急。国内外提高螺纹钎杆寿命的途径有几个方面：一方面是从凿岩机械的结构上进行不断改进，例如，从气动凿岩机一头大另一头小的活塞发展到液压凿岩机的等径圆柱形活塞，在保证凿岩速度不断提高的同时，改变了凿岩应力波的波形，并减少了作用在钎杆上的破坏应力；另一方面是提高钎杆材质的综合机械性能和中空钢的生产工艺水平，尽量减少钎杆内在的和外来的各种缺陷，以保证钎杆具有高的质量和使用寿命。当然，凿岩时的正确操作和管理，钎具之间(钎尾与联接套、钎杆与联接套、钎杆与钎头)的良好配合以及它们各自的加工精度，也是保证钎杆寿命的基本条件。
本文只就螺纹钎杆的材质选择、中空钢生产工艺、制钎工艺(包括锻造、机加工、热处理、表面强化和防腐处理等)结合国内外生产实践，作一些粗浅的分析。
1 对螺纹钎杆的基本要求
螺纹钎杆包括接杆钎杆、轻型接杆钎杆、钻车钎杆和MF钎杆等，对这些钎杆的基本要求主要表现在以下几个方面：
(1)高疲劳强度和高断裂韧性的配合。
从文献〔1〕可看出，螺纹钎杆的断裂主要是疲劳断裂，其主要原因是钎杆要承受凿岩机的高频冲击力和轴推力，而且，螺纹钎杆是细长杆件，在斜向凿岩和水平凿岩时，由于受钎具组自重的影响，往往还使钎杆产生弯曲应力。所以，螺纹钎杆的材质必须具有高的疲劳强度和高的断裂韧性。
(2)良好的弹性和耐磨性。
螺纹钎杆在凿岩过程中，无论是水平作业、垂直作业或斜向作业，由于凿岩机推力的变化、岩石的不均匀性或存在裂隙、孔洞、开眼时岩面的不平度过大或开眼的不正确操作等，都经常使钎杆在不同弯曲状态下工作。如果弯曲状态严重或钎杆弹性欠佳，就会造成钎杆弯曲折断而早期失效。所以，钎杆必须具有良好的弹性。
螺纹钎杆两头的螺纹结构，是联接整套钎具和传递凿岩应力的重要部位。从文献〔1〕的分析得知，螺纹部位是螺纹钎杆失效的最主要部位，其失效机理是微动磨损和冲击磨损先后作用的结果，因此，螺纹部位的耐磨性往往是螺纹钎杆寿命的决定因素。
(3)好的防腐蚀能力。
目前，接杆钎杆在露天凿岩作业时，多采用孔口捕尘的干式凿岩，而在井下作业时，采用湿式凿岩。钻车钎杆绝大部分采用湿式凿岩。螺纹钎杆内孔受高频高应力和水(往往是带酸性的水)腐蚀的共同作用，这是造成钎杆内疲劳断裂的主要因素，所以，螺纹钎杆必须具有好的防水腐蚀的能力。
(4)高的平直度和刚性。
螺纹钎杆的平直度和刚性是取得高的凿岩效率的重要保证。在凿岩时，钎杆要在250 r/min的旋转状态下工作，如果平直度低或刚性不足，钎杆就会在偏心打击下工作，一方面损失了一部分凿岩能量，另一方面产生了弯曲应力，增加了钎杆疲劳破坏的几率。钎杆的平直度越高，刚性越好，其传递凿岩应力的效率也越高，凿岩速度也越快。
(5)良好的结构设计。
螺纹钎杆是传递高频高应力的杆件，构件的断面变化可引起应力变化和应力集中，断面变化越大，应力传递的效率越低，而破坏应力却越大。所以，钎杆良好结构的设计原则是：尽量避免或减少过剧的断面变化，采用合理的和缓慢的断面变化过渡，选择尽可能大的过渡圆弧。当然，提高加工精度，即提高不同断面之间中心的对中性和螺纹配合的互换性、减小配合间隙、降低加工表面的粗糙度等，都对提高钎杆寿命有利。
2 提高螺纹钎杆寿命的途径
螺纹钎杆的制造其主要环节是：材质的选择、中空钢生产工艺的选择和制钎工艺，而制钎工艺主要包括锻造、机械加工、热处理、表面强化、防腐处理等。提高螺纹钎杆寿命的途径，主要是从上述各个方面综合考虑，抓住主要矛盾，重点解决薄弱环节，不断改进和完善工艺要求。由于篇幅有限，本文只对上述各个方面提出一些主要思想和原则意见。对一些工艺的评价，只是个人浅见，仅供参考。
2.1 螺纹钎杆的材质选择
螺纹钎杆必须具有高的疲劳强度、弹性、刚性和韧性，而强度和韧性又是相互矛盾的。螺纹钎杆的杆体，属细长杆件，不宜进行复杂的热处理，只能通过最佳的热处理工艺获得疲劳强度、弹性、刚性和韧性的综合性能配合。螺纹钎杆的两头螺纹是整套钎具组的联接部位，它的失效机理是微动磨损和冲击磨损，因此，要求螺纹部位表面高硬度耐磨，心部有足够的韧性，防止折断。众所周知，材料的性能，往往要经过热处理才能充分发挥其最大的潜力，所以，材质的选择经常与热处理工艺一同考虑。
2.1.1 国外螺纹钎杆材质的选择
目前，国外螺纹钎杆的材质归纳起来有两大系列。一大系列是以低碳、高强度、高淬透性、高韧性的CrNiMo系合金钢为主，含碳量在0.25%左右，含Ni量在3%左右，最具代表性的钢号是25CrNi3Mo，其热处理工艺路线为：整体渗碳→控制冷却→螺纹部位淬火→低温回火。整体渗碳后控冷使杆体获得所需的硬度，保证杆体的刚性和弹性；随后的螺纹部位淬火、低温回火使螺纹表面获得高硬度和高压缩应力而得到高疲劳强度和高耐磨性。国外大部分螺纹钎杆都采用这种材质和热处理工艺路线。
另一个系列仍是CrNiMo，但含碳量在0.30%～0.45%之间，有的国家增加Cr和V或调整一下Ni含量，采用的热处理工艺是中空钢轧材时控制冷却，保证杆体硬度；螺纹部位进行调质处理后再进行高频淬火，从而获得表面高硬度和高压缩应力，而且具有高疲劳强度和高耐磨性。这个系列也有不少国家采用，但一般只用于D45、D51，少量也用于D38接杆钎杆。
2.1.2 我国螺纹钎杆材质的选择
60年代中期，因为我国缺乏Cr、Ni资源，所以，合金钢新钢种的研究指导思想是发展SiMnMo系列，研制出的35SiMnMoV钢作为我国螺纹钎杆的推荐钢种，并一直延用至今。但作为螺纹钎杆用钢来说，如果采用渗碳淬火+低温回火的热处理工艺，因为该钢种含碳量偏高，且Si、Mn元素与Cr、Ni元素相比，尤其在高强度的情况下，其韧塑性指标要比CrNiMo系钢低得多；如采用渗碳等温淬火工艺，则损失了表面硬度和压缩应力，降低了螺纹的疲劳强度和耐磨性，钎杆寿命也难以提高。所以，从60年代到80年代中期，我国螺纹钎杆(主要是长度大于1 200 mm的规格)只能采用淬火+中低温回火或等温淬火的热处理工艺，这是我国螺纹钎杆寿命与国外相比差距较大的主要原因。
25CrNi3Mo钢与35SiMnMoV钢的常规机械性能见表1。从表1数据可以看出，在空冷条件下，CrNi3Mo系的冲击韧性高于SiMnMoV系，而且强度也高。在淬火状态下，CrNi3Mo系低温回火时的强度和韧性值，SiMnMoV系要在提高回火温度或进行等温淬火时才能达到。若二者都渗碳后按表1工艺来处理，CrNi3Mo系的螺纹部位表面硬度高、压缩应力高，既耐磨又可提高寿命；而SiMnMo系升高回火温度或等温淬火，却降低了渗碳的螺纹表面硬度、耐磨性和压缩残余应力，从而缩短了使用寿命。
2.1.3 杆体硬度的控制
在国外的螺纹钎杆产品和技术资料中不难发现(甚至包括B22、B25小钎杆)，其杆体硬度都控制在HB400左右，因为钎杆是细长杆件，要求其具有良好的刚性和弹性。弹簧钢具有最好弹性的硬度范围是HRC44～48。当热轧表面硬度超过HB430以后，疲劳强度将下降，所以，为了保证钎杆杆体硬度，往往通过轧后控制冷却、中频整体正火或整体渗碳后控制冷却甚至重新调整成分来加以保证。
2.1.4 螺纹钎杆显微组织的控制
国内外许多研究发现，当CrNi3Mo系钢的含碳量低于0.30%时，在淬火状态(空淬或油淬)可获得板条状马氏体组织，而且在板条状马氏体之间存在连续的薄膜状的残余奥氏体，并证实这种组织结构是这种钢获得高韧性的重要保证。这种结构在其它低碳CrNiMo系钢中也有发现。它的存在可以提高疲劳裂纹扩展的门槛值，同时也降低疲劳裂纹的扩展速度。
最近，我国学者研究发现，在SiMnMo系钢中，通过成分调整也能获得淬火板条状马氏体，板条状马氏体之间也存在薄膜状残余奥氏体。其厚度约为5～20 nm，淬火组织中残余奥氏体量约为5%，马氏体板条内存在高密度位错。
2.2 中空钢的生产工艺
国外中空钢的生产工艺主要是钻孔法，即连铸圆坯→车外圆→钻孔(不同规格钻不同直径的孔)→装芯→轧制→抽芯→成材。
我国螺纹钎杆中空钢的生产工艺有以下几种：
(1)热穿热拔(或热轧)法：小圆坯→热穿孔→减径→热拔(或热轧)→成材。
(2)合金铸管法：中空锭→装芯→开坯→轧材→抽芯→成材。
(3)钻孔法：方坯→钻孔→装芯→轧材→抽芯→成材。
各种中空钢生产工艺的特点：
(1)国外钻孔法采用连铸圆坯，并车去表皮1.5～2.5 mm，消除了连铸圆坯表面可能产生的缺陷；钻去了钢坯心部的冶金缺陷，并采用性能最优的CrNi3Mo系钢、专用中空钢轧机轧制，冶炼和轧制的质量都高，是目前最理想的螺纹钎杆中空钢材，但价格高。国内方坯钻孔法，表面修磨不够彻底，钢材形状和几何尺寸低于国外产品，成材率较低，成本较高。
(2)热穿热拔(热轧)法工艺简单，生产率和成材率高，钢材形状和几何尺寸也能达到高标准。但内外表面质量欠佳，尤其是内孔表面质量，这恰恰是螺纹钎杆要求最高的部位。所以，很难生产出高寿命的产品。
(3)合金铸管法工艺，虽然在我国小钎杆生产中取得了很好的成绩，但用于螺纹钎杆时，由于其锭型小、压缩比小，存在缩孔、疏松、非金属夹杂等严重冶金缺陷，而且，钢材的形状和几何尺寸较差，很难生产出高寿命的产品。不过，其内外表面质量比热穿热拔(或热轧)法的好，只要制钎工艺得当，相应的补救措施跟上，还可以生产出满足国内要求的产品。
2.3 锻造成型和机械加工工艺
2.3.1 锻造成型工艺
对于螺纹钎杆来说，只有轻型接杆钎杆、钻车钎杆、MF钎杆需要锻造，而且只需镦粗两端(钻车钎杆和MF钎杆只锻一端)。螺纹钎杆的锻造一定要选择大镦锻力的卧式镦锻机。锻造加热，最好采用中频加热。加热的温度控制很重要，许多螺纹钎杆寿命低或寿命波动大的原因，很大程度出自锻造。锻造过程中，操作人员往往自觉或不自觉地将锻造加热温度升高一些，这样可以增加锻件的高温塑性，更易锻出丰满的毛坯，尤其是在吨位偏小的锻钎机上锻造时，加热温度更高，使锻件在多数情况下处于过热甚至过烧的状态。这样处理的锻件形状虽然很好，但在随后的机加工或搬运过程中出现“掉头”现象。因为这样的组织状态很难在以后的工艺过程中消除，无法承受高频应力的作用而过早失效。螺纹钎杆锻造后或未经锻造的热轧状态中空钢杆坯(即螺纹部位)要经过退火处理，以便消除锻造加热或热轧状态组织的影响。
机加工前，加工部位要进行局部软化退火处理。国外采用窄缝式退火炉来完成，国内大部分厂家采用箱式炉或中频退火。但中频退火效果欠佳，箱式炉退火往往加热段过长，过长加热部分未能进行最终热处理而影响了钎杆的寿命，这个问题尚未引起生产厂家的重视。
2.3.2 机械加工
螺纹钎杆机械加工包括螺纹部位车外圆、过渡槽和螺纹加工。车外圆和过渡槽一般用普通车床或靠模车床，螺纹加工国外普遍采用非圆液压仿形车床，国内也有用此设备的(如贵阳钢厂)，但多数厂家采用“旋风铣”、样板刀或尖刀凸轮装置加工。
从上述几种加工的螺纹成型原理可知，用旋风铣或尖刀凸轮装置加工的螺纹线是由小台阶组成的，造成螺纹表面的粗糙度增加，容易引起应力集中或疲劳源的产生。样板刀加工的效率低，螺纹形状也有接刀痕迹。非圆液压仿型加工的效率最高，螺纹成形也有小台阶现象，应引起生产厂的注意。
机加工的另一个问题是螺纹的丰满度问题。尖刀凸轮装置加工出的螺纹形状比较瘦，即丰满度差，在使用过程中，螺纹的相对磨损量少一些，冲击磨损期会提前，钎杆磨损失效也会提前。用旋风铣、样板刀或非圆液压仿形加工时，随着刀具的磨损，螺纹形状会“胖”一些，会产生螺纹检验套套不进去而出现加工废品。当然，机加工前的退火软化也很重要，退火软化不好，硬度偏高，车刀磨损快，加工精度波动大。
2.4 热处理工艺
在材质选定以后，螺纹钎杆的热处理是提高和保证钎杆寿命的关键。
2.4.1 国外热处理工艺
国外大部分螺纹钎杆选择25CrNi3Mo钢，采用整体气体渗碳工艺。该工艺要有投资大的深井式气体渗碳炉，其渗碳层厚度、表面碳浓度、渗碳温度、渗碳时间、炉内渗碳气氛、冷却过程等，都可以通过微机进行控制，所以，能保证获得理想的质量和性能。整体渗碳后，两头螺纹重新进行中频淬火和低温回火，以获得螺纹部位的高耐磨性。杆体硬度是通过整体渗碳后控制冷却来达到的。
国外也有一些厂家选择中低碳CrNiMo系钢，两头螺纹调质处理后进行高频淬火。杆体硬度是在中空钢生产时进行控制轧制来获得的，螺纹部位高频淬火的淬硬层厚度一般控制在2.5 mm以下。
国外热处理工艺的特点是：渗碳淬火和高频淬火都能使钎杆螺纹表面获得高硬度和耐磨性，同时还获得高的表面压缩应力。表面压缩应力和板条马氏体及板条内的薄膜状残余奥氏体结构可以提高表面疲劳强度、疲劳断裂的门槛值，减小疲劳裂纹的扩展速率，这对提高螺纹钎杆的寿命十分有利。
2.4.2 国内螺纹钎杆的热处理工艺和性能特点
国内φ32×1 200 mm的接杆钎杆，绝大部分采用35SiMnMoV钢和气体渗碳工艺。国产的105 kW气体渗碳炉，可处理1 200 mm长的杆件。由于35SiMnMoV钢的含碳量偏高，渗碳+淬火低温回火时，钎杆的韧塑性低而寿命不高。渗碳+等温回火可提高心部的韧塑性，但渗层的表面硬度不高，螺纹的耐磨性降低。所以，只有选择含碳量为0.23%的合金中空钢，才有可能提高短螺纹钎杆的寿命。
B28、B32、B35、D38、D45、D51规格的螺纹钎杆，绝大部分的长度大于1 200 mm，若无深井式气体渗碳炉，无法采用气体渗碳+淬火低温回火工艺。有的厂家曾试用局部渗碳代替整体渗碳如液体渗碳。但液体渗碳存在盐浴流动性差、盐浴表面结渣造成堵塞心孔的缺陷，在大批量生产中执行该工艺有很大难度。所以，目前国产的上述系列钎杆，多采用35SiMnMoV、Z708或者30CrNi3Mo钢，无大型深井式渗碳炉的只能采用淬火+中低温回火或等温淬火等工艺。这类工艺因钢种含碳量高而不经渗碳，只进行淬火，表面硬度不高，螺纹部位耐磨性差。所以钎杆寿命一直上不了高水平。有深井式气体渗碳炉的钎具厂因其设备配套性差(如整体渗碳后尚无控冷手段)，整体渗碳后产生的弯曲很难矫直，所以，国内螺纹钎杆的热处理水平与国外先进水平相比仍有较大差距。
2.5 表面强化工艺
表面强化工艺是指螺纹钎杆杆体的机械喷丸或滚压等冷加工表面强化工艺。国外由于采用了整体渗碳工艺，在控冷的条件下杆体表面也能获得一定的表面强化效果，所以取消了表面强化工艺或只作防腐处理前的表面清理。表面机械抛丸和喷砂能提高螺纹钎杆杆体的表面硬度和弯曲疲劳强度，从而提高杆体刚性、弹性和疲劳寿命。但螺纹钎杆的断裂主要在螺纹部位和过渡槽区域，而杆体断裂的几率较低，加上抛丸装置的易损件寿命低，抛丸故障率高，所以表面强化工艺在螺纹钎杆生产过程中往往被忽视或不重视。
2.6 精整和防腐处理
2.6.1 精整
精整的目的主要是提高螺纹钎杆的平直度。由于螺纹钎杆在生产过程中经过很多工序，这些工序的吊装、运输和处理过程，往往增加了钎杆的弯曲，所以在防腐处理前将钎杆进行矫直，保证钎杆的平直度达到产品标准的要求，即1 mm/m以下。钎杆的平直度对保证钎杆的凿岩效率、减少弯曲疲劳应力和外观质量是很重要的。我国螺纹钎杆很难进入国际市场的最大困难除钎杆的质量和寿命外，就是平直度太差。
目前，国内尚无有效的六角螺纹钎杆的矫直设备，瑞典Sandvik公司采用的是三支点高台式矫直机，矫直精度达0.5 mm/m。圆形螺纹钎杆的矫直，国外采用多级双斜辊圆棒矫直机，矫直精度可达0.5 mm/m； 国内也有双斜辊圆棒矫直机，但稳定性差一些。
2.6.2 防腐处理
由于螺纹钎杆在高频高应力和水腐蚀的条件下工作，尤其是钎杆的内孔，通常通入1.5 MPa的水，水在内孔有较大的流速，所以钎杆内孔容易形成腐蚀坑而引发疲劳源，形成疲劳源后腐蚀疲劳裂纹扩展速率也很高，这是螺纹钎杆产生内疲劳断裂的主要原因。
国外的螺纹钎杆采用整体气体渗碳工艺，在处理过程中，钎杆内孔也经受了渗碳，内表面含碳量增加，其耐腐蚀性能降低，同时，内表面也因含碳量增加而缺口敏感性增高。所以，防腐处理对螺纹钎杆内孔来说是十分重要的，它是防止内疲劳断裂的重要措施。
瑞典Sandvik公司采用的是SR防腐处理，其实质是磷化处理后用地腊封孔；磷化前，钎杆内孔和外表面都经过喷砂或喷丸处理。由于磷化层是与钢铁表面附着力很强的蜂窝状结构，加地腊封孔，地腊有很强的疏水性，所以隔离了水对内孔的腐蚀作用。SR处理是该公司早年著名的专利之一。
瑞典法格斯特公司所用的防腐处理是静电喷漆生产线。漆呈粉末状干粉，在密闭的生产线通道中，在静电作用下，粉末吸附在钎杆的内外表面(处理前内孔和外表面也经过喷砂、喷丸处理)。经过烘道加热后，粉末熔化变成漆膜，牢固地粘附在钎杆内孔和外表面上。我们曾对这种漆膜用王水煮沸2～4 h，未见漆膜脱落。
国内对螺纹钎杆的防腐处理研究很少，尤其是对钎杆内孔的防腐处理。通常在钎杆生产出来后，只进行外表面喷漆，内孔不加任何处理。这是我国螺纹钎杆与国外螺纹钎杆差距较大的又一个原因。
3 结束语
从上述分析可以看出，我国螺纹钎杆与国外螺纹钎杆相比，无论在钢种材质和中空钢的冶轧生产工艺上，还是在制钎工艺(包括锻造、机加工、热处理、防腐、表面强化等)方面，都存在不小的差距。我国从1974年开始研制D38螺纹钎杆、1982年开始研制D32钻车钎杆以来，经过了众多研究院所、高等院校和钎具生产厂的共同努力，部分解决了我国经济建设对螺纹钎杆的需求。从今后的发展趋势来看，21世纪我国将有大量的基础设施建设项目，这些项目的建设大都需要大量的螺纹钎杆，我国目前的螺纹钎杆状况肯定不能满足经济发展的需要，而出现大量进口的局面，这方面应引起有关部门的注意和重视。