高风压潜孔钻头失效分析及改进措施
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3 改进措施
在冲击钻头的研究中， 高硬度的钻头体不一 定就是耐磨性高的胎体， 硬度与耐磨性有一致的 方面， 但还有不能等同的另一面。 硬度越高的钻 头体，其脆性也相应越大，在冲击凿岩的过程中由 于动载荷的作用，容易出现断齿和掉块的现象，影 响钻头的正常使用。因此，钻头体不是越硬就一定 耐磨性越高，钻进效果越好 。 [2-3]
Abstract： The failure cause was found by analyzing high pneumatic down-the-hole bit bursting crack and the other reasons in the early stage. The heat treatment process was improved. The good results were got when adopting the low-carbon-concentration carburization.
[3] 周红心．强化耐磨性钻头在卵砾石地层中的应用研究[J]． 金 刚 石 与 磨 料 磨 具 工 程 ，2007，(2)：55-57．
97
时间
图 2 改进后的热处理工艺曲线 Fig.2 The heat treatment process curves after improvement
4 应用效果
采用改进后的热处理工艺生产一批共 106 件 钻头，检测结果如下：
(1) 渗碳层深 0.45～0.5 mm， 过共析层与 共 析层之和约 0.3 mm， 占总层深的 60%～70%，符 合渗碳要求， 表层无网状碳化物， 残余奥氏体极 少，心部组织正常。
处理工艺，采用低浓度渗碳等，取得了较好的效果。
关键词：潜孔钻头；失效分析；低浓度渗碳
中图分类号：TG115; TG157
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-3814(2008)20-0096-02
Failure Analysis and Improvement Measure of High Pneumatic Down-the-hole Bit
通过对失效钻头的金相组织分析， 发现组织 晶粒明显粗大，渗碳层中有大量残余奥氏体，表面 渗碳层碳浓度在 1.0%～1.2%。 说明高温长时间渗 碳，奥氏体晶粒长大，直接淬火则得到粗大的淬火 组织，使力学性能恶化。 另外渗碳温度高，虽然加 快了渗碳速度，但同时也造成渗碳层碳浓度高，奥 氏体中碳含量升高， 淬火组织中残余奥氏体量增 多，并直接造成钻头基体硬度低，钻头在使用过程 中残余奥氏体分解，发生比容变化，产生内应力， 也极易诱发裂纹。
(2) 作剥层定碳分析，每层剥 0.1 mm，共剥 6 层，每层碳含量如下表。 可见碳浓度梯度变化正常。
层数
1
2
3
4
5
6
含碳量(wt，%) 0.67 0.65 0.56 0.47 0.40 0.30
(3) 中心硬度 39.5～41 HRC，表面硬度 49～ 51 HRC，达到设定技术要求。
这批钻头经装机使用， 技术性能指标达到国 外同类产品水平，用户反应良好。
5 结语
(1) 高 风 压 潜 孔 钻 头 的 主 要 失 效 形 式 是 崩 块、裂纹，而磨损则是次要的失效形式。钻头崩块、 裂纹则主要是由于渗碳工艺不合理，渗层过深，碳 浓度太高，淬火组织粗大，淬火后基体组织硬度低 以及表层出现过多残余奥氏体等因素造成的。
(2) 采用低浓度 渗碳＋高温回 火＋一 次 淬 火＋ 低温回火工艺可以较好地解决高风压潜孔钻头使 用过程中崩块等问题。
岩石变化的剪切反力造成的脉动压应力， 同时钻头 的高频冲击又带来一定的振动和摩擦， 很容易产生 应力集中而导致塑性变形，造成花键失效。 通过对现 场收集回来的钻头进行分 析 ，花 键 的 失 效 主 要 原 因 是：①花键基体硬度较低，平均硬度小于 35HRC； ② 花键键槽根部过渡处的圆弧半径过小，容易产 生 应 力 集 中 ；③ 花 键 配 合 间 隙 过 小 且 不 均 匀 [1]。 2.3 钻头头部失效分析
根据上述失效原因分析， 决定改进热处理工
《热加工工艺》 2008 年第 37 卷第 20 期
艺，具体处理工艺见图 2。
860±10
860±10
温度 /℃
煤 油 170d/min
Leabharlann Baidu
装炉 排气
160~170d/min ≈3h
550~600
罐
冷 水
高温 冷 回火 4h
淬火 45 min
油 冷
230±10 空 回火 冷 4h
综上所述， 由于钻头在工作中承受巨大的冲 击力，因而崩块、裂纹成为主要的失效方式，而磨 损失效则相对处于次要位置， 因此热处理应保证 钻头有足够的强韧性， 表面渗碳层碳浓度不能太 高，故决定采用低浓度渗碳，保证表面渗碳层的碳 浓 度 为 0.6%～0.7%、 渗 碳 层 深 度 0.4～0.55 mm 即可， 中心硬 度 38～41 HRC， 表面硬 度控 制 在 48～51 HRC。
2 失效现象及原因分析
2.1 钻头尾端冲击端面失效分析 钻头尾端冲击端面主要承受活塞周期性反复
剧烈撞击，其失效形式表现为麻点、剥落、崩块，失 效类型为冲击疲劳破坏。产生的原因是：钻头表面 渗碳层硬度高、脆性大，钻头工作时冲击力巨大， 此处极易产生脆性裂纹；钻头基体材料硬度低，经 检测平均硬度不到 35 HRC， 在冲击力作用下，极 易发生塑性变形， 反复的塑性变形易导致裂纹萌 生，产生麻点，麻点数量增多发展成麻坑，麻坑扩 大成局部浅层剥落，如此反复，最后使端面不断剥 落 下 凹 ，以 至 崩 块 [1]。 2.2 钻头花键失效分析
1.5 h，煤油滴量降为 120 滴／min，扩散完毕降温至 830 ℃油冷淬火， 然 后进行 310℃× 2 h 水 冷的回 火。 经检测，渗碳层深度为 0.9～1.0 mm，表面硬度 为 53～55 HRC，满足技术条件要求。
首批钻头交付使用后不久， 用户反映在使用 过程中出现钻头体头部和尾端多处崩块及掉齿等 现象，造成大批钻头早期失效，为此进行分析。
1 问题的提出
某 厂 生 产 一 批 与 INGERSOLL-RAND 公 司 DHD340 冲击器相通用的高风压潜孔钻头(图 1)， 钻头体材料为 20Ni4Mo， 要求钻头表面渗碳层深 度为 0.8～1.2 mm， 表面硬度 50～55 HRC。 采用 75 kW 井式气体渗碳炉进行(920±10)℃渗碳，煤油 滴量为 180～200 滴／min，渗碳 5 h 取出观察试棒, 炉前检测渗碳层深度为 0.8 mm 左右 ， 决定扩散
钻头头部失效的主要形式是崩块及掉齿，断 口均为脆性断口， 裂纹源多位于硬质合金柱齿孔 径向。 原因是钻头表面渗碳层硬度高、脆性大，钻头 工作时冲击力巨大，此处极易产生裂纹；另外硬质合 金柱齿孔处也已渗碳，淬火后硬度很高，而硬质合金 柱齿压入孔内为过盈配合，齿孔切向产生拉应力，工 作时容易沿齿孔径向开裂产生脆性裂纹。
参考文献:
[1] 黄志强，刘清友 ，李琴，等． 物探气动冲击钻头热处理 工 艺 试 验 研 究[J]．西 南 石 油 学 院 学 报 ，2006，28(4)：90-93．
[2] 王 宏 启 ，施 杰 ，戚 文 革 ，等．合 金 化 及 热 处 理 对 钻 头 材 料 影 响 之 评 析 [J]． 黄 金 ，2006，27(6)：27-29．
钻头花键把钻头和冲击器连接起来， 一起在 井下旋转，同时还作为钻头向下运动的轨道。在钻 头 工 作 时 ， 花 键 受 力较为复杂，回转时侧面受到由
96
Hot Working Technology 2008, Vol.37, No.20
下半月出版
Material & Heat Treatment 材料热处理技术
图 1 高风压潜孔钻头示意图 Fig.1 The sketch of high pneumatic down-the-hole bit
收 稿 日 期 :2008-06-04 作 者 简 介:陈 儒 军 (1973-),男 , 湖 南 常 德 人 , 工 程 师 , 硕 士 研 究 生 , 研 究
方 向 为 金 属 材 料 及 热 处 理 ; 电 话 :13875974784; E-mail:cshycrj@yahoo.com.cn
材料热处理技术 Material & Heat Treatment
2008 年 10 月
高风压潜孔钻头失效分析及改进措施
陈儒军 1，2， 徐家军 1 (1. 长沙航空职业技术学院， 湖南 长沙 410124； 2. 湖南大学 材料学院， 湖南 长沙 410082)
摘 要：对高风压潜孔钻头使用时钻头体崩块、掉齿等早期失效情况进行分析，找到其失效原因。 通过改进热
Key words：down-the-hole bit; failure analysis; low-carbon-concentration carburization
高风压潜孔钻头是高风压潜孔凿岩工程中的 关键部件，也是主要消耗件之一。 据统计，在凿岩成 本中，钻头费用占 20%以上。 研制长寿命高风压潜 孔钻头已成为高效、 低耗凿岩必须解决的新世纪 重大工程技术难题。 开展高风压潜孔钻头的失效 分析并探索其改进方法具有重要的战略意义。
CHEN Rujun1,2, XU Jiajun1
(1.Changsha Aeronautical Vocational and Technical College, Changsha 410124 China； 2. School of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)
在冲击钻头的研究中， 高硬度的钻头体不一 定就是耐磨性高的胎体， 硬度与耐磨性有一致的 方面， 但还有不能等同的另一面。 硬度越高的钻 头体，其脆性也相应越大，在冲击凿岩的过程中由 于动载荷的作用，容易出现断齿和掉块的现象，影 响钻头的正常使用。因此，钻头体不是越硬就一定 耐磨性越高，钻进效果越好 。 [2-3]
Abstract： The failure cause was found by analyzing high pneumatic down-the-hole bit bursting crack and the other reasons in the early stage. The heat treatment process was improved. The good results were got when adopting the low-carbon-concentration carburization.
[3] 周红心．强化耐磨性钻头在卵砾石地层中的应用研究[J]． 金 刚 石 与 磨 料 磨 具 工 程 ，2007，(2)：55-57．
97
时间
图 2 改进后的热处理工艺曲线 Fig.2 The heat treatment process curves after improvement
4 应用效果
采用改进后的热处理工艺生产一批共 106 件 钻头，检测结果如下：
(1) 渗碳层深 0.45～0.5 mm， 过共析层与 共 析层之和约 0.3 mm， 占总层深的 60%～70%，符 合渗碳要求， 表层无网状碳化物， 残余奥氏体极 少，心部组织正常。
处理工艺，采用低浓度渗碳等，取得了较好的效果。
关键词：潜孔钻头；失效分析；低浓度渗碳
中图分类号：TG115; TG157
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-3814(2008)20-0096-02
Failure Analysis and Improvement Measure of High Pneumatic Down-the-hole Bit
通过对失效钻头的金相组织分析， 发现组织 晶粒明显粗大，渗碳层中有大量残余奥氏体，表面 渗碳层碳浓度在 1.0%～1.2%。 说明高温长时间渗 碳，奥氏体晶粒长大，直接淬火则得到粗大的淬火 组织，使力学性能恶化。 另外渗碳温度高，虽然加 快了渗碳速度，但同时也造成渗碳层碳浓度高，奥 氏体中碳含量升高， 淬火组织中残余奥氏体量增 多，并直接造成钻头基体硬度低，钻头在使用过程 中残余奥氏体分解，发生比容变化，产生内应力， 也极易诱发裂纹。
(2) 作剥层定碳分析，每层剥 0.1 mm，共剥 6 层，每层碳含量如下表。 可见碳浓度梯度变化正常。
层数
1
2
3
4
5
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含碳量(wt，%) 0.67 0.65 0.56 0.47 0.40 0.30
(3) 中心硬度 39.5～41 HRC，表面硬度 49～ 51 HRC，达到设定技术要求。
这批钻头经装机使用， 技术性能指标达到国 外同类产品水平，用户反应良好。
5 结语
(1) 高 风 压 潜 孔 钻 头 的 主 要 失 效 形 式 是 崩 块、裂纹，而磨损则是次要的失效形式。钻头崩块、 裂纹则主要是由于渗碳工艺不合理，渗层过深，碳 浓度太高，淬火组织粗大，淬火后基体组织硬度低 以及表层出现过多残余奥氏体等因素造成的。
(2) 采用低浓度 渗碳＋高温回 火＋一 次 淬 火＋ 低温回火工艺可以较好地解决高风压潜孔钻头使 用过程中崩块等问题。
岩石变化的剪切反力造成的脉动压应力， 同时钻头 的高频冲击又带来一定的振动和摩擦， 很容易产生 应力集中而导致塑性变形，造成花键失效。 通过对现 场收集回来的钻头进行分 析 ，花 键 的 失 效 主 要 原 因 是：①花键基体硬度较低，平均硬度小于 35HRC； ② 花键键槽根部过渡处的圆弧半径过小，容易产 生 应 力 集 中 ；③ 花 键 配 合 间 隙 过 小 且 不 均 匀 [1]。 2.3 钻头头部失效分析
根据上述失效原因分析， 决定改进热处理工
《热加工工艺》 2008 年第 37 卷第 20 期
艺，具体处理工艺见图 2。
860±10
860±10
温度 /℃
煤 油 170d/min
Leabharlann Baidu
装炉 排气
160~170d/min ≈3h
550~600
罐
冷 水
高温 冷 回火 4h
淬火 45 min
油 冷
230±10 空 回火 冷 4h
综上所述， 由于钻头在工作中承受巨大的冲 击力，因而崩块、裂纹成为主要的失效方式，而磨 损失效则相对处于次要位置， 因此热处理应保证 钻头有足够的强韧性， 表面渗碳层碳浓度不能太 高，故决定采用低浓度渗碳，保证表面渗碳层的碳 浓 度 为 0.6%～0.7%、 渗 碳 层 深 度 0.4～0.55 mm 即可， 中心硬 度 38～41 HRC， 表面硬 度控 制 在 48～51 HRC。
2 失效现象及原因分析
2.1 钻头尾端冲击端面失效分析 钻头尾端冲击端面主要承受活塞周期性反复
剧烈撞击，其失效形式表现为麻点、剥落、崩块，失 效类型为冲击疲劳破坏。产生的原因是：钻头表面 渗碳层硬度高、脆性大，钻头工作时冲击力巨大， 此处极易产生脆性裂纹；钻头基体材料硬度低，经 检测平均硬度不到 35 HRC， 在冲击力作用下，极 易发生塑性变形， 反复的塑性变形易导致裂纹萌 生，产生麻点，麻点数量增多发展成麻坑，麻坑扩 大成局部浅层剥落，如此反复，最后使端面不断剥 落 下 凹 ，以 至 崩 块 [1]。 2.2 钻头花键失效分析
1.5 h，煤油滴量降为 120 滴／min，扩散完毕降温至 830 ℃油冷淬火， 然 后进行 310℃× 2 h 水 冷的回 火。 经检测，渗碳层深度为 0.9～1.0 mm，表面硬度 为 53～55 HRC，满足技术条件要求。
首批钻头交付使用后不久， 用户反映在使用 过程中出现钻头体头部和尾端多处崩块及掉齿等 现象，造成大批钻头早期失效，为此进行分析。
1 问题的提出
某 厂 生 产 一 批 与 INGERSOLL-RAND 公 司 DHD340 冲击器相通用的高风压潜孔钻头(图 1)， 钻头体材料为 20Ni4Mo， 要求钻头表面渗碳层深 度为 0.8～1.2 mm， 表面硬度 50～55 HRC。 采用 75 kW 井式气体渗碳炉进行(920±10)℃渗碳，煤油 滴量为 180～200 滴／min，渗碳 5 h 取出观察试棒, 炉前检测渗碳层深度为 0.8 mm 左右 ， 决定扩散
钻头头部失效的主要形式是崩块及掉齿，断 口均为脆性断口， 裂纹源多位于硬质合金柱齿孔 径向。 原因是钻头表面渗碳层硬度高、脆性大，钻头 工作时冲击力巨大，此处极易产生裂纹；另外硬质合 金柱齿孔处也已渗碳，淬火后硬度很高，而硬质合金 柱齿压入孔内为过盈配合，齿孔切向产生拉应力，工 作时容易沿齿孔径向开裂产生脆性裂纹。
参考文献:
[1] 黄志强，刘清友 ，李琴，等． 物探气动冲击钻头热处理 工 艺 试 验 研 究[J]．西 南 石 油 学 院 学 报 ，2006，28(4)：90-93．
[2] 王 宏 启 ，施 杰 ，戚 文 革 ，等．合 金 化 及 热 处 理 对 钻 头 材 料 影 响 之 评 析 [J]． 黄 金 ，2006，27(6)：27-29．
钻头花键把钻头和冲击器连接起来， 一起在 井下旋转，同时还作为钻头向下运动的轨道。在钻 头 工 作 时 ， 花 键 受 力较为复杂，回转时侧面受到由
96
Hot Working Technology 2008, Vol.37, No.20
下半月出版
Material & Heat Treatment 材料热处理技术
图 1 高风压潜孔钻头示意图 Fig.1 The sketch of high pneumatic down-the-hole bit
收 稿 日 期 :2008-06-04 作 者 简 介:陈 儒 军 (1973-),男 , 湖 南 常 德 人 , 工 程 师 , 硕 士 研 究 生 , 研 究
方 向 为 金 属 材 料 及 热 处 理 ; 电 话 :13875974784; E-mail:cshycrj@yahoo.com.cn
材料热处理技术 Material & Heat Treatment
2008 年 10 月
高风压潜孔钻头失效分析及改进措施
陈儒军 1，2， 徐家军 1 (1. 长沙航空职业技术学院， 湖南 长沙 410124； 2. 湖南大学 材料学院， 湖南 长沙 410082)
摘 要：对高风压潜孔钻头使用时钻头体崩块、掉齿等早期失效情况进行分析，找到其失效原因。 通过改进热
Key words：down-the-hole bit; failure analysis; low-carbon-concentration carburization
高风压潜孔钻头是高风压潜孔凿岩工程中的 关键部件，也是主要消耗件之一。 据统计，在凿岩成 本中，钻头费用占 20%以上。 研制长寿命高风压潜 孔钻头已成为高效、 低耗凿岩必须解决的新世纪 重大工程技术难题。 开展高风压潜孔钻头的失效 分析并探索其改进方法具有重要的战略意义。
CHEN Rujun1,2, XU Jiajun1
(1.Changsha Aeronautical Vocational and Technical College, Changsha 410124 China； 2. School of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)