86潜孔钻头材质选择及其强化工艺研究

描述：通过分析？准86潜孔钻头的性能要求，结合生产实际条件，选择22SiMnCr2Mo钢，并分析了该钢在钎焊工艺与不同的冷却条件下的相变机理、金相组织、断口形貌，从而确定了适宜的强化工艺。

摘要：通过分析？准86潜孔钻头的性能要求，结合生产实际条件，选择

22SiMnCr2Mo钢，并分析了该钢在钎焊工艺与不同的冷却条件下的相变机理、金相组织、断口形貌，从而确定了适宜的强化工艺。

1 引言

准86潜孔钻头如图1所示。位于头部的硬质合金采用中频感应钎焊工艺固定。而钻头体，尤其是钎尾端部，硬度要高。为了确保钻头的质量稳定和扩大市场，选择合适的钻头体用钢并制订合理的强化工艺是至关重要的。

2 材质选择

钻头体材质必须依据钻头的性能要求、钎焊工艺特点来确定。

（1）钻头性能要求

钻头头部强度要高，以满足凿岩过程中岩粉的磨蚀，头部与钎尾过渡处要有好的强韧性，以免在多次冲击拉压及扭转的复杂应力状态下早期断裂，花键部要有好的耐磨性或强度，而钎尾端部要求有较高的硬度（HRC45），避免被冲击器打堆。

（2）钎焊工艺特点

钻头在完成焊接以后，不宜再次热处理，焊有硬质合金的头部需缓慢冷却，以防焊缝开裂。科学技术与工程投稿钻头体的强化与钎焊工艺是一次性完成的。

（3）材质选择

表1是国内外钎焊钻头体的选材情况。它们的共同特点是具有相当大的淬透

性，可以利用钎焊硬质合金的热过程来完成钻头体的热处理强化，空冷后可获得韧性马氏体或马氏体+贝氏体的金相组织。矿山试验证明，这种金相组织的钻头可以满足使用，而不致发生钻头体断裂。

对国内外钎焊后缓冷的钻头体解剖后的性能比较见表2。从表2中可以看出，使用淬透性较差的合金钢，如40Cr作为钻头体用钢，经过焊接并缓慢冷却后，钻头体相当于经受了一个退火过程，不再次热处理强化就满足不了使用要求，经受不起多次冲击载荷。

22SiMnCrNi2Mo钢是目前国内外广泛用作钻头体的板条马氏体钢[2，3]，其空冷组织不仅具有良好的综合机械性能，同时还具有较低的冷脆转变温度，在静载荷和疲劳载荷下其缺口敏感度及过载敏感度较低[3]。该钢作为T38-76X、T38-89X钻头用钢已获得很大的成功。 22SiMnCrNi2Mo钢作为？准86潜孔钻头体用钢是明智的选择。

表3为22SiMnCrNi2Mo钢的临介点。图2为该钢的退火金相显微组织。这种均匀的原始组织为感应加热过程中奥氏体的形成提供了良好的条件。

3 强化工艺

（1）感应器与强化处理的关系

从图1看出，？准86潜孔钻头头部与花键部直径相差大，用普通的圆柱形感应器加热时，感应器与钎尾间的空气间隙太大，存在严重的漏磁损耗，工件中不能形成强大的涡流，当头部达到焊接温度时，钎尾尤其是端部远未达到奥氏体化温度。冷却后得不到理想的强化组织或机械性能。

上世纪七十年代，苏联采用这样的办法：用两个感应器，顺向并联于降压的高频变压器，一个加热头部，一个加热钎尾。当头部完成焊接以后切断感应器，头部开始冷却。20～30秒钟以后花键部达到淬火温度，然后淬火。

鉴于此，我们特制了一种感应器，如图3所示，用这种感应器可实现头部与钎尾的一次性同步加热。

（2）钻头体的强化工艺

图4是根据前述钻头性能要求制定的？准86潜孔钻头体的强化工艺曲线。该工艺的加热过程完全与钎焊加热一致。头部和花键部在钎焊完成以后空冷。端部水冷以便获得高的硬度。

为了便于淬火操作及控制淬硬长度，淬火在图5所示的流动水箱中进行。

（3）金属组织与机械性能分析

前述22SiMnCrNi2Mo钢奥氏体化后经室温空冷可得到板条马氏体，硬度值可达HRC 45～48。

但是这里采用的加热方式是中频感应加热，其过程具有连续性，在这种情况下临界点Ac1、Ac3向高温移动，奥氏体的相变在一个温度范围内完成 [4]。此外，从焊料开始熔化到停电的时间约一分钟，加上头部尺寸大，涡流的穿透深度有限，所以头部表层与中心温度不同，温差达80℃左右。为了取得钎焊过程的同步，心部采用熔点较表层低的焊料。而钎尾端部磁场已不太集中，且由于热传导，一部分热损失，所以，这个部位的最终温度只能达到890℃左右。

从以上分析可见，在钻头的不同部位，温度是不同的，故奥氏体化程度及其成分均匀性是不同的，奥氏体的稳定性也不同。冷却后得到的组织状态也是有差异的。

图6、7、8、9是金相显微镜、扫描电子显微镜对强化后的钻头体进行的金相组织解剖分析。

图10、11是扫描电子显微镜进行的断口形貌观察。

表4是22SiMnCrNi2Mo钢经强化处理后的机械性能。

4 现场使用情况

？准86潜孔钻头的使用条件是：YQ 100B型潜孔钻机、工作气压0.45～0.5 MPa，冲击频率31 Hz，单次冲击功69 J。岩石为坚固的砾岩和砂岩。

在钻头的现场试验当中，十只钻头的平均进尺为256米/只，达到该矿原用某厂同类产品水平。

截至目前，已向用户提供这种类型的钻头近2000只。据用户统计，这些钻头在凿岩过程中，未出现钎尾端部打堆、变形、断裂、花键断等现象。用户对钻头的质量表示满意。

5 结论

（1）准86潜孔钻头体采用22SiMnCrNi2Mo钢是合理的。其强化加热温度与钎焊料的钎焊温度相配合，其空冷强化的特点正好满足了钎焊后需缓冷的要求，从而保证了钻头的焊接质量，杜绝了硬质合金的脱落现象。

（2）强化工艺简单易行，便于操作，钎尾端部水冷后硬度能达到HRC 46.5，满足了该部位的特殊要求。

（3）钻头的质量稳定，能满足使用要求。