30CrNi3 Mo) were taken heat treatments as 880 ℃ oil quchi

点击次数:   更新时间:2021-01-31 23:09     作者:博乐坊

  第 28 卷 第 6 期 2011 年 12 月 贵州大学学报( 自然科学版) Journal of Guizhou University ( Natural Sciences) Vol. 28 No. 6 Dec. 2011 文章编号 1000 - 5269( 2011) 06 - 0043 - 05 ① 几种钎头用钢的基本性能比较 彭 俊,欧梅桂* ,龙 潜 ( 贵州大学 材料科学与冶金工程学院,贵州 贵阳 550003) 摘 要:在 凿 岩 工 作 环 境 中 为 了 满 足 凿 岩 钎 头 的 性 能 要 求,通 过 对 常 用 钎 头 用 钢 ( 40Cr, 45CrNiMo1 V,30CrNi3 Mo) 采用的 880 ℃ 油淬加 580 ℃ 回火油冷的热处理制度,再进行多冲击疲 劳试验,拉伸试验,耐磨性试验的比较,得出综合性能优越的 45CrNiMo1 V 作为液压钻车用螺纹 连接柱齿钎头钢体用钢。 关键词:钎头; 45CrNiMo1 V; 热处理 中图分类号:TD421. 25 文献标识码:B 钎头是凿岩钎具中直接钻凿岩石的部份,也是 是凿岩钎具中最易损的部件。它是将凿岩硬质合 金镶嵌或焊接在合金钢载体上构成。凿岩钎头[1] 通过锥孔或螺纹与凿岩钎杆相连,并通过不断的旋 转和冲击将凿岩机械通过凿岩钎尾和凿岩钎杆传 递过来的冲击功作用在需要破碎的岩石上,同时通 过高压水 或 风 排 出 破 碎 的 岩 渣,从 而 完 成 凿 岩 过 程。随着凿岩技术的不断进步,凿岩钎头的发展也 越来越呈现出多元化的趋势。从目前国内外的使 用现状及发展趋势来看,必须从研究液压钻车用中 大直径螺纹连接柱齿钎头壳体用钢上入手。这种 凿岩钎头是目前国内进口量最大、同时质量也跟国 外先进水平差距最大的钎头品种。如果能在液压 钻车用柱齿钎头的研究上取得成功,很多问题将迎 刃而解。而要解决这一问题,首先要在液压钻车用 柱齿钎头的壳体用钢研究上取得突破。本文通过 研究一种新型贝氏体钢 45CrNiMo1 V 的多冲击疲 劳性能、拉伸性能、耐磨性能,并与目前国内常用钎 头壳体用钢 40Cr、30CrNi3 Mo 进行试验比较,以论 证用其作为高品质螺纹连接柱齿钎头壳体用钢的 优越性能。 1 试验材料及方法 1. 1 试验材料 本 试 验 采 用 三 种 不 同 成 分 的 40Cr, 30CrNi3 Mo,45CrNiMo1 V 钢,其化学成分分别见表 1,2,3. 表 1 40Cr 钢化学成分表 Wt% C 0. 37 - 0. 44 S ≤0. 035 Si 0. 17 - 0. 37 P ≤0. 035 Mn 0. 50 - 0. 80 Ni ≤0. 030 Cr 0. 80 - 1. 10 Cu ≤0. 030 表 2 30CrNi3 Mo 钢化学成分表 Wt% C Si Mn Cr 0. 30 - 0. 40 0. 17 - 0. 37 0. 50 - 0. 80 0. 70 - 1. 10 Ni Mo S P 2. 75 - 3. 25 0. 25 - 0. 40 ≤0. 030 ≤0. 035 表 3 45CrNiMo1 V 钢化学成分表 Wt% C Si Mn Cr Ni 0. 42 - 0. 48 0. 15 - 0. 30 0. 60 - 0. 90 0. 90 - 1. 20 0. 40 - 0. 70 Mo V S P 0. 90 - 1. 10 0. 05 - 0. 15 ≤0. 025 ≤0. 025 作为该试验材料,将原料分别为 40Cr 钢,直径 Φ40 mm 棒料; 30CrNi3 Mo 钢,直径 Φ30 mm 棒料; 45CrNiMo1 V 钢,用 500 kg 电炉炼钢、模铸、退火、锻 造成直径为 Φ48 mm 的棒料经机加工制做成形为 多冲击疲劳试样( 图 1) ,再按 880 ℃ 油淬,580 ℃ 回火油冷热处理制度进行处理[2]。将 Φ30 mm 的 40Cr、30CrNi3 Mo、45CrNiMo1 V 原材料棒料,经车床 车削 中 间 部 位 至 Φ15 mm 直 径 成 型 为 拉 伸 试 样 ( 图 2) ,并采用 880 ℃ 油淬、580 ℃ 回火油冷热处 理制度进行处理。 ① 收稿日期: 2011 - 09 - 26 作者简介: 彭 俊( 1983 - ) ,男,汉族,贵州遵义人,硕士研究生,研究方向: 功能材料,Email: pengjunwelcomeyou@ 163. com. * 通讯作者: 欧梅桂,Email: rose8239@ 163. com. ·44· 贵州大学学报( 自然科学版) 第 28 卷 1. 2 试验方法 1. 2. 1 多次冲击疲劳试验 多次冲击疲劳试验在 JA - 150 冲击试样机上 进行,冲击能量为 12. 5 kg·mm,加载频率为 450 r / min. 试验时缺口两侧预先抛光,试验过程用分辨 率为 0. 001 mm 的工具显微镜每隔一定冲击次数 时的裂纹长度 a,并以试样两侧裂纹平均长度 a = 0. 02 + 0. 001 mm 时的冲击次数值作为冲击疲劳裂 纹形成寿命 N0. 02 ,被冲断时的 N 值定为冲击疲劳 总寿命 Nf,冲 击 疲 劳 裂 纹 扩 展 寿 命 为 Np = Nf - N0. 02 . 用 NEOPHOT3 型光学显微镜( OM) 观察疲劳 裂纹扩展形貌,腐蚀液为 4% 的硝酸酒精溶液。用 Amaray - 1000B 型扫描电子显微镜观察冲击疲劳 断口形貌。 1. 2. 2 拉伸试验 按国标 GB / T228—200X 的规定进行试样的拉 伸试 验,在 室 温 10 - 35 ℃ 范 围 内 进 行,在 wawy500 万能材料试验机上,用夹头夹住试样后,用拉 力拉伸试样,用计算机进行数据采集和处理,以测 定试样的抗拉强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率 等力学性能。 1. 2. 3 湿式橡胶轮式磨损试验 ( 1) 修理橡胶轮( 橡胶轮累积运行 6000 转必 须进行修整) ; ( 2) 预磨: 刷洗泥浆槽,试样去磁、清除静电, 在酒精或丙酮中浸洗,用吹风机吹干,在万分之一 精度的天平上称重,测得试样重量后安装在试样夹 具上。然后在砂浆槽中倒入 1000 g 水和 1500 g 新 会石英砂( 50 - 70 目) ,盖好有机玻璃罩,开动机器 先搅拌 50 转停机,加上所需要砝码,将计数器预拨 在 1000 转上,轻轻放下载荷,将试样与橡胶轮轻轻 地接合,开机预磨,以产生一个预制磨痕,为消除试 样表面和受力不均带来的试验误差,经过预磨试样 表面产一个新鲜磨痕,预磨一直继续到橡胶轮转到 1000 转自动停止。抬起夹具横杆使试样表面脱离 橡胶轮,卸下夹具取出试样,去除砂浆冲洗砂浆槽, 清洗试样并称重,做为“原始重量”。 ( 3) 正式试验: 下一个 1000 转构成正式磨损 试验,试样经跑合后表面产生一磨痕,正式磨损试 验在跑合的磨痕同一处进行,磨损试验程序与预磨 过程相同,试验完毕,试样失重等于预制磨痕后的 “原始重量”减去正式磨损后的重量。 2 试验结果及分析 2. 1 多冲击疲劳试验结果 第6 期 彭 俊 等: 几种钎头用钢的基本性能比较 ·45· 表 4 各钢种多冲疲劳试验结果 钢种 裂纹 起始寿命 N0. 02 40Cr 1200 30CrNi3 Mo 45CrNiMo1 V 2500 1900 裂纹 扩展寿命 Np 3847 4705 5586 总寿命 Nf 5407 7205 7486 表 4 是试验材料多冲疲劳试验结果。 表 中 结 果 表 明,在 相 同 热 处 理 条 件 下, 45CrNiMo1 V 钢 比 常 用 钎 头 用 钢 30CrNi3 Mo、40Cr 的多冲击疲劳寿命更高,可以满足作为球齿钎头壳 体用钢的需要。 图 3 各钢种最高多冲击疲劳寿命裂纹扩展形貌 从图 3 可以看出,40Cr 钢试样在冲击疲劳裂 疲劳性能。从其组织分析,试样热处理组织中存在 纹扩展过程中,表面裂纹的扩展路径曲折,多冲疲 一定含量的奥氏体薄膜,当裂纹遇到韧性相奥氏体 劳裂纹扩展以穿晶方式进行,裂纹扩展穿过铁素体 时,会产生塑性变形,使裂纹尖端钝化,增加裂纹扩 或索氏体进行扩展,冲击疲劳寿命比后二者低。 30CrNi3 Mo 钢试样在冲击疲劳裂纹扩展过程 中,表面裂纹的扩展出现弯曲,也有利于提高冲击 展阻力。另外,奥氏体的应变诱发相变效应也是消 耗能量的重要方面[3]。组织中疲劳裂纹扩展出现 转折、分叉和交叉,使裂纹扩展路径高低不平,起伏 疲劳性能,所以其多冲击疲劳寿命也较高。 增加,会产生严重的裂纹闭合效应,减小裂纹尖端 45CrNiMo1 V 钢试样在冲击疲劳裂纹扩展过程 的有效应力。从裂纹扩展路径来看,多次冲击疲劳 中,表面裂纹的扩展出现弯曲、分岔、或交叉裂纹。 裂纹在组织中扩展大部分穿过组织板条,裂纹扩展 从能量角度考虑,裂纹扩展出现弯曲、分岔或交叉 主要以穿晶方式进行。 可以使扩展路程转折,扩展路径增长,消耗更多的 图 4 - 图 6 是各钢种多冲击疲劳断口 SEM 形 能量,能够减缓疲劳裂纹的扩展,有利于提高冲击 貌: ·46· 贵州大学学报( 自然科学版) 第 28 卷 图 6 45CrNiMo1 V 正火低温回火多冲击疲劳断口 SEM 形貌 从图中可以看出,多次冲击疲劳裂纹是从线切 具有更高的抗拉强度、屈服强度等力学性能。 割缺口处形成,沿着冲击载荷方向扩展,扩展区断 ( 3) 耐磨性比较结果 裂特征为准解理和塑性变形的撕裂棱,断口存在有 钎头在凿岩过程中,一要与岩矿石剧烈摩擦, 二次裂纹。二次裂纹是主裂纹扩展过程分叉而在 断口留下 的 痕 迹[6],二 次 裂 纹 的 扩 展 方 向 垂 直 于 二要承受高压水流( 或压气) 和矿坑水的冲刷及腐 蚀,所以钎 头 用 钢 必 须 有 良 好 的 耐 磨 性 及 抗 磨 蚀 断口断面,二次裂纹的形成和扩展可以消耗能量, 性,以避免钎头过早地因壳体磨损而失效,所以钎 有 利 于 提 高 多 重 疲 劳 寿 命。 最 后 瞬 断 区 头用钢也必须进行耐磨性试验。下面分别通过几 45CrNiMo1 V 钢除了存在二次裂纹,存在较多的韧 窝,30CrNi3 Mo 钢断口形貌主要为韧窝。二次裂纹 和较多韧窝的存在,提高了材料的冲击疲劳性能。 种 钢 种 的 湿 式 橡 胶 轮 式 磨 料 磨 损 试 验,及 45CrNiMo1 V、40Cr 钢的产品实物硬度检测试验来 说明。 实际应用中,凿岩钎头多以承受高频冲击载荷 的作用而失效,也就是说,钎头的失效与多冲击疲 劳有密切的关系。对于承受冲击载荷的材料,多次 冲击疲劳性能是表征其性能的主要指标之一。长 期以来,人们对多冲疲劳试验的评价和研究存在着 较大分歧[4],认 为 在 冲 击 能 量 较 低 时 多 冲 疲 劳 可 以用疲劳试验替代,在冲击能量较高时可以用一次 冲击试验替代。但是,由于多冲疲劳破坏机理和一 次冲击破坏机理及疲劳破坏机理不同,用一次冲击 或疲劳试验结果表征材料的多冲疲劳性能存在一 定的局限性。而多冲击疲劳试验能够真正反应钎 头使用失效的具体特征。45CrNiMo1 V 钢在多冲击 疲劳试验中较高的寿命,表明用该钢种作为液压钻 车 用 柱 齿 钎 头 壳 体 用 钢,比 常 用 材 料 40Cr、 30CrNi3 Mo 具有更高的优越性 2. 2 拉伸试验对比结果 几种材料的拉伸试验主要力学性能对比见表 5. 表 6 是 45CrNiMo1 V 钎头钢和目前常用钎头材 料 40Cr、30CrNi3 Mo 钢的湿式橡胶轮式磨料磨损结 果。从试验 结 果 可 以 看 出,在 正 火 低 温 回 火 状 态 下,45CrNiMo1 V 钢具有较高的淬透性和淬硬性能, 在水 介 质 磨 料 磨 损 中 磨 损 失 重 均 低 于 40Cr 和 30CrNi3 Mo,显示出良好的湿式磨料磨损性能。 表 6 典型钎头用钢湿式橡胶轮式磨损 试验结果( 载荷 7. 14 kg) 材料 40Cr 30CrNi3 Mo 45CrNiMo1 V 磨损失重 / mg 5802. 92 4467. 50 3264. 93 硬度( HRC) 22 - 23 44 - 45 47 - 48 用 45CrNiMo1 V 钢制作成凿岩钎头,与 40Cr 材 料钎头进行了硬度测试比较 ( 图 7 ) . 结果表明, 45CrNiMo1 V 钢钎头具有较高的硬度值,也说明其 具备更好的耐磨性。 表 5 典型钎钢材料拉伸试验主要力学性能对比表 钢种 Rm / MPa ReL / MPa A5 / % Z / % Aku / J 40Cr 1010 853 11 48 69 30CrNi3 Mo 1240 1122 11 45CrNiMo1 V 1580 1390 12 47 37 50 49 注: Rm—抗拉强度; ReL—屈服强度; A5—延伸率; Z—断面 收缩率; Aku—冲击值 表 中 可 看 出,在 相 同 热 处 理 条 件 下, 45CrNiMo1 V 钢 比 常 用 钎 头 用 钢 40Cr、30CrNi3 Mo 图 7 凿岩钎头 第6 期 彭 俊 等: 几种钎头用钢的基本性能比较 ·47· 3 结论 ( 1 ) 45CrNiMo1 V 钢 与 常 用 钎 头 壳 体 用 钢 40Cr、30CrNi3 Mo 的多冲击疲劳试验、拉伸试验、湿 式橡胶轮式磨料磨损试验对比,证明了该钢种有着 更高的多冲击疲劳寿命、更优越的抗拉强度等力学 性能,以及更好的耐磨性,说明了该钢种更适合于 作为液压钻车用螺纹连接柱齿钎头的壳体用钢。 ( 2) 该钢种在采用 880 ℃ 油淬加 580 ℃ 回火 油冷的热 处 理 工 艺 时,可 以 得 到 很 好 的 强 韧 性 配 合,在基本相同的屈服强度水平下,具有较高的抗 断裂韧性。 ( 3) 45CrNiMo1 V 钢中由于增加了 Cr 和 Mo,同 时还含有 Ni 和一定数量的 V,大大提高了该钢种 的奥氏体化,提高了其回火稳定性和硬度。 参考文献: [1]刘宗平. 国外冲击凿岩工具近况[J]. 金属矿山,1989 ( 1) : 54 - 56. [2]胡光立,谢希文. 钢的热处理[M]. 西安: 西北工 业 大 学出 版 社,1996. [3]张国榉. 长寿命冲击凿岩钎杆[J]. 凿 岩机械 气动 工 具,1999 ( 4) : 21 - 25. [4] 周惠久,黄明志. 金属材 料强度 学[M]. 北京: 科 学出 版 社, 1989. [5]赵昱东. 提高凿岩钎具寿命的途径[J]. 矿山机械,1992 ( 3 ) : 3 - 5. [6]Suresh S. ,Ritchie R. O. Geometric model for fatigue crack closure induced by fracture surface toughness [J]. Met Trans,1982: 13A( 9) : 1627 - 1631. The Comparison of Basic Properties for a Few Drill Bits Steels PENG Jun,OU Mei-gui* ,LONG Qian ( College of Material Science and Metallurgical engineering,Guizhou University,Guiyang 550003,China) Abstract: In order to meet the performance requirements of drill bits in working environment of drilling rock,the steels for drill bits ( 45Cr,45CrNiMo1 V,30CrNi3 Mo) were taken heat treatments as 880 ℃ oil quenching and tempering in 580 ℃ oil colding. Then impacting fatigue test,tensile test and wear resistance test were taken for such steels. Through comparison,45 CrNiMo1 V with superior comprehensive performance is used as threaded coupling column chisel bit steel for hydraulic drill vehicle. Key words: drill bits; 45 CrNiMo1 V; heat treatment


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