【机械毕业设计】凿岩钎具钎尾的热处理工艺探索.doc
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1、目 录前言.2凿岩钎具钎尾的热处理工艺探索. 31、钎尾的工作环境和失效形式分析.41.1 钎尾断裂.41.2 尾部端面破损.41.3 螺纹磨损.41.4 钎耳破断.42、钎尾的服役条件.43、钎尾的材料及合金元素的作用.54、En40B常用钎尾的热处理工艺分析.64.1 去应力退火.64.2 渗碳+直接淬火.74.2.1 渗碳.74.2.2 直接淬火.124.2.3 渗碳空淬后常见的缺陷及对策.134.3 低温回火. 164.4时效处理. 165、En40B常用钎尾的新的热处理工艺.175.1 渗碳.175.2 等温淬火.17结论.19参考文献.21凿岩钎具钎尾的热处理工艺探索 摘要:本文通
2、过对钎具钎尾的工作环境、失效形式及钎尾用钢中所含的元素的种类和含量的分析;对凿岩钎具中材料为En40B的钎尾的热处理工艺进行分析探索;研究了钎尾在实际使用中的性能要求、实际生产中设备的先进性、金相组织、硬度实验;提出了针对En40B钎尾的热处理工艺中所涉及的问题;采用了对钎尾在工艺过程中各工序的温度高低、保温时间长短和可控气氛多用炉中碳浓度的高低的比较及所产生缺陷的分析,从而进一步提出了关于凿岩钎具钎尾的新的热处理工艺:渗碳高温回火等温淬火低温回火;解决了En40B钎尾的热处理工艺参数选定原因和公司工艺中常存在的缺陷问题;达到了对En40B钎尾热处理工艺的理解,以及利用新工艺提高钎尾的使用性能
3、的目的。关键词:材料、钎尾、热处理前言: 无论是各种矿产资源的开采、铁路、公路、水利、水电等能源交通的建设,还是地质、建筑等部门,都离不开钻爆作业,离不开使用凿岩钎具。钎具见图1图1 钎具钎具(rockdrill tools)是凿岩爆破中必不可少的工具。它是用钎钢和其他材料(如硬质合金)制造而成的钻凿岩石用的工具。它主要包含四大类部件,即钎杆或称钎子杆(rad),钎头或钻头(bit),连接套筒或称套筒(coupling)与钎尾(shark adaptor)。由于公司对钎具的热处理设备是国产的可控气氛箱式多用炉,多用炉只有前室和后室,前室属于预热区,后室主要进行加热和渗碳。炉内的气氛的调节仍需要
4、人工控制,多用炉的一些性能(如炉内实际的气氛、温度的均匀性)还有些不稳定。虽然公司主要生产钎具,但是只有钎尾和连接套筒是利用公司的热处理的设备进行处理的。连接套筒在实际工作中的损害很小,一般需要的量很少,公司主要是对钎尾的热处理。钎尾是整个凿岩设备的主要消耗工具之一,它的种类很多,材料在公司也有三种,考虑到对工艺探索的具体性,故我选择对公司里材料为En40B的常用钎尾的热处理工艺进行分析。经过分析了公司的工艺参数的取得原因和存在的一些缺陷,自己又设定一个新工艺,弥补了原来工艺的一些不足之处,使钎尾的使用性能更好地被利用,使用寿命有所延长。凿岩钎具钎尾的热处理工艺探索:作为现代化配套的钎具,钎尾
5、是随着凿岩工艺和凿岩条件的发展而生产的。在凿岩工艺方面,当从浅孔钻凿发展到中、深孔钻凿时,由于工作截面的限制,若要获取较深的岩孔,就必须在钎杆同一轴线上,采用连接筒连续地连接多支钎杆进行钻凿。这种凿岩工艺所使用的尾钎杆,就是作为钎尾发展的雏形。在凿岩条件方面,随着高频率、大功率全液压凿岩设备迅速发展,配套的钎具中的钎杆为传递凿岩机所给予的高频率、大能量的冲击功,导致凿岩机与钎杆配合部位的集几何结构更为复杂,连接配合技术要求也越来越严格。很显然,凿岩工艺及条件的改变,提高了对尾钎杆的配合和制造技术的要求。这样,全机械加工、高精度成型的各种各样结构的钎尾就相应产生了。最终,发展为现代凿岩配套钎具中
6、不可缺少的重要配套件。1、钎尾的工作环境和失效形式分析钎尾是凿岩机的易损件之一。钎尾是螺纹连接凿岩钎具的重要组成部分,在工作时直接承受凿岩机高频冲击和强力扭转,将凿岩机活塞运动的冲击功从钎尾尾端传递到钎杆和钎头,进行凿岩作业,同时在凿岩机转动套的带动下传递扭矩,使整个钎具的系统转动。钎尾内孔还受到快速流水的冲刷和矿水的腐蚀。工作环境的恶劣和承受载荷的复杂性,对钎尾的使用性能提出了更高要求。钎尾是将活塞的冲击能量传递给钎杆、钎头,达到破碎岩石作用,在使用时钎尾破坏形式主要是钎尾断裂、尾部端面破损、螺纹磨损、钎耳破断等几种失效形式。1.1 钎尾断裂 螺纹钎具凿岩作业是钎尾不可避免的承受冲击、扭转、
7、弯曲等方面作用,容易引起断裂。断裂是钎尾在工作过程中经常发生的疲劳破坏,发生在钎尾注水口处。另外,钎尾在煤矿井下腐蚀介质中,也很容易在注水口处产生腐蚀坑,在冲击载荷作用下,腐蚀坑中产生应力集中并发展成疲劳裂纹,在腐蚀与疲劳应力共同作用下,裂纹扩展直到断裂。1.2 尾部端面损坏钎尾尾部端面直接承受凿岩机活塞的冲击接触,端面剥落是常见的损坏方式。大多数钎尾使用后在尾部端面出现较小的浅层剥落,肉眼看上去是比较浅的“小坑”,这种剥落对使用影响不大;比较严重的大块深层剥落与活塞的接触状况恶化,甚至造成活塞损坏,给用户造成经济损失。这种大块的深层剥落是由于表面产生了与端面相垂直的裂纹造成的。主要由于钎尾在
8、热处理过程中产生局部过热或过烧、淬火裂纹或内应力过大引起的。1.3 螺纹磨损钎尾在钻凿过程中,其外螺纹与连接套筒的内螺纹进行连接配合,在使用承受着冲击、扭转、弯曲等几方面作用,螺纹由于硬度不够易于磨损。1.4 钎耳破断钎尾的钎耳与凿岩机内套的花键配合,主要承受扭转应力的作用。在凿岩过程中,轴向拉压应力、扭转应力通过钎耳促使钎具产生旋转,将冲击功传递给钎头,达到破碎岩石的作用。因此,钎尾的钎耳能承受的交变应力是很大的,在此处经常产生断齿现象。钎耳破断以后,凿岩机的扭转应力无法传递给钎具而告失效。2、钎尾的服役条件根据钎尾的工作环境和失效形式的分析,钎尾应具有足够的强度和韧性,高的表面强度和耐磨性
9、以及高的疲劳抗力和一定的耐腐蚀性能,心部具有良好的韧性;能够承受凿岩机高频冲击和强力扭转;抵抗流水的冲刷和矿水的腐蚀。3、钎尾的材料及合金元素的作用钎尾的材料有许多种,现就我所在的公司的材料进行分析,公司因是外资企业,所用的钎尾的材料牌号均为英国牌号;即:En27B、En30B、En40B,它们均属于合金结构钢。见表1。表1 En27B、En30B、En40B的化学成分及其质量分数(%)材料CSiMnPSCrMoNi其他En27B0.270.350.150.350.450.700.0400.0500.901.200.250.352.753.25En30B0.260.340.150.350.45
10、20.750.0400.0501.101.400.200.353.904.30En40B0.200.280.150.350.450.700.020.0253.003.500.450.65V0.15各种元素对合金结构钢的性能的影响:碳(C) 在钢中随着其质量分数的增加,可提高钢的强度和硬度,但降低塑性和韧性。碳与钢中某些合金元素化合形成各种碳化物,对钢的性能产生不同的影响。以上三种材料根据钎尾的服役条件,三者均需要渗碳,增加含碳量。硅(Si) 提高钢的强度和回火稳定性,特别是经淬火、回火后能提高钢的屈服极限和弹性极限。含硅量高的钢,其磁性和电阻均明显提高,但Si有促进石墨化倾向。三种材料很好的利
11、用了硅在钢中的优点。锰(Mn) 提高钢的强度和显著提高钢的淬透性,能消深和减少硫对钢能产生的热脆性,含锰量高的钢,经冷加工或冲击后具有高的耐磨性,但有促使钢的晶粒长大和增加第二类回火脆性的倾向。锰的含量较高,正好使钎尾经过冷加工或冲击后具有高的耐磨性。磷(P) 增加钢中的非金属夹杂物,使钢的强度和塑性降低,特别是在低温时更严重(冷脆性),但稍高的含磷量能改善低碳钢的切削加工性。三种钢的含磷量都较低,磷对钢性能的影响也较小,尤其是对En40B材料的合金结构钢影响更小。硫(S) 增加钢中的非金属夹杂物,使钢的强度降低,在热加工时,容易产生脆性(热脆性),但稍高的含硫量能改善低碳钢的切削加工性。硫在
12、这三种钢的含量也较低,影响和磷的影响一样都较小,En40B硫含量不到0.025,影响不大。铬(Cr) 提高钢的强度、淬透性和起到细化晶粒,提高韧性和耐磨性的作用,但存在第二类回火脆性的倾向。含铬量高的钢,能增大抗腐蚀(性的)能力,铬与镍元素等配合能提高抗氧化性和热强性,并进一步提高抗腐蚀性。三种钢的含铬量都较多,特别是En40B含铬量达3.003.50,其抗腐蚀的能力增加,韧性也增加。镍(Ni) 提高钢的强度,而对塑性和韧性影响不大,含量高时与铬配合能显著提高钢的耐腐蚀性和耐热性。En27、En30B的含镍量都很高,刚好与铬配合达到了提高钢的耐腐蚀性和耐热性之目的,En40B材料就没有这种效果
13、。钼(Mo) 提高钢的热硬性和耐磨性,有阻碍钢晶粒长大和防止回火脆性的作用,也能提高回火稳定性,还能提高钢的淬透性。它对三种钢的影响差不多,对En40B的影响大些。钒(V) 能细化晶粒,提高钢的强度和韧性,提高钢的耐磨性和热硬性以及回火稳定性。它只存在于En40B中,它弥补了En40B中不含镍的不足。由于三种材料的含合金元素的种类和数量差不多,它们的热处理工艺几乎相同。4、En40B常用钎尾的热处理工艺分析En27、En30B、En40B三种材料都能满足钎尾的使用性能,三者由于所含元素相近,热处理工艺差不多,仅在渗碳时间长短、碳势高低和回火温度、时间上有些差异。为了工艺分析的全面,现针对公司里
14、的材料为En40B长度为550mm的常用钎尾进行热处理工艺分析。其工艺流程为:锻造坯料去应力退火机械加工渗碳直接淬火低温回火校直时效处理抛丸精磨。4.1 去应力退火专业定做机械设计,包括机械毕业设计和课程设计,同时有大量的现成的设计出售。QQ:1296369724,手机:15515619641。其他机械毕业设计:http:/ 渗碳+直接淬火4.2.1 渗碳因为材料为En40B的合金结构钢属于低碳合金钢,为了满足钎尾的表面具有高的强度、硬度和耐磨性,钎尾的心部有很好的韧性,可采取渗碳工艺。渗碳工艺属于化学热处理的一种,化学热处理是把钢制工件放置于某种化学介质中,通过加热和保温,使化学介质中某些元
15、素渗入到工件表层,从而改变表层的化学成分,使心部与表层具有不同的组织与力学性能。化学热处理有许多种,而我们公司只选择渗碳工艺的化学热处理而不选择其他的原因有很多。比如选择渗碳而不选择渗氮原因就有两大方面:一方面,从工艺过程和处理后的性能来说,材料为En40B的钢中碳的质量分数为0.200.28,大部分属于低碳钢,为了达到钎尾的使用性能一般是渗碳,而渗氮工艺多数是对中、高碳钢而言的;渗碳的温度是93010,而渗氮的工艺温度只为52010,在渗碳工艺温度下钢被加热处于单一的奥氏体区,其组织转变容易进行;渗碳的时间为39小时,而渗氮时间要为2050小时,渗氮的生产周期较长,使生产效率大大降低;虽然渗
16、氮后钎尾表面具有高硬度、高耐磨性和耐腐蚀性,渗碳后钎尾只具有高硬度、高耐磨性,但是我们使用的钎尾的材料En40B中含有大量的铬元素,铬的质量分数为3.003.50,含铬高的钢,其抗腐蚀性大大增加,材料En40B中所含的合金元素间接使它的抗腐蚀性增加,如钼;渗碳的钎尾能承受较大的冲击力,而渗氮后的钎尾所能承受的冲击较小,对于凿岩机上的钎尾来说本身就要承受很大的冲击;从这个方面考虑选择渗碳工艺较好。另一方面,从公司现有的热处理设备来考虑,公司拥有的热处理设备为国产的可控气氛箱式多用炉,一些控制程序不够准确,控制系统也不太灵活,炉内的气氛要靠人工调节控制,对于其他的化学热处理来说热处理设备要求都较高
17、,公司的设备最好是进行渗碳工艺。由以上两方面,钎尾的化学热处理因此选择渗碳工艺。渗碳是把低碳合金钢制的钎尾放置于富含碳原子的活性介质中,加热到850950,保温数小时,使渗碳介质在工件表面上产生活性碳原子,经过表面吸收和扩散而渗入工件的表层,从而使表层的含碳量达到0.8以上的热处理工艺。渗碳前,应对钎尾的尺寸精度和表面状况进行检验,形状尺寸必须符合图纸要求,渗碳部位的尺寸应留有适当的磨削加工余量。渗碳部位的表面必须洁净,不能有氧化皮、锈斑、油污,以免造成渗碳不均匀和淬火后出现软点等缺陷。在渗碳表面不能有裂纹、深的刀痕、划伤或碰伤的明显痕迹。表面上的裂纹、深的刀痕或划痕,在淬火过程中或磨削过程中
18、,都会产生应力集中现象,形成裂纹源,而使渗碳表面出现淬火裂纹或磨削裂纹,造成钎尾的报废。在检查合格和清洗结束后,需要在钎尾的供水孔处插入棉绳,因为钎尾供水孔处也要受到矿水的冲刷,它也需要有一定硬度和耐蚀性,供水孔处在渗碳时,渗碳剂难以达到内部,棉绳起到引碳的作用,使其也能满足需要。在以上都准备好后,就可以把钎尾装入到料筐。为了使钎尾的变形小和渗碳效果达到较好,钎尾应垂直吊挂在料筐中,钎尾与钎尾之间均有一定的间隙。为了使渗碳均匀,一般每炉可装60根T38的、常用长度为550mm的小钎尾,同时携带两个试样块。因为装炉量对钎尾变形量有很大影响,装炉量过多时会产生渗碳、淬火加热和冷却的不均匀,导致加热
19、是钎尾各部分加热温度不均匀,体积膨胀不一致,使变形加大。同样,在风冷过程中会使钎尾各部分冷却不同时性增加,内应力增加,变形量加大,因此装炉量不益过多,优选60根为好。待钎尾装好筐后,等炉内温度高于760时,即可以进行装炉。因为只有炉温在高于760时,炉温才能把可燃性气体、液体通入炉内或清除炉内气氛,否则会导致爆炸。同时考虑到公司的多用炉的一些设备的自动程序不灵活,在进炉时需要人工操作进行。在进炉前应先点燃前炉门口处的煤气喷嘴内的煤气,使在前炉门处形成火帘,其能把炉内的气氛和外部空气隔绝,防止在开启炉门时,炉内外的气氛压力差过大,导致炉内的火源喷出。火帘在形成后,在各个部位的指示灯亮起的前提下,
20、原位灯亮起才能进炉。钎尾进炉时炉内温度一般是设定的最大温度,但因为钎尾进炉后,开启炉门时带走了大量的热和钎尾自身需要加热,使炉内温度下降 ,所以需要再升温。升温的时间是根据装炉量的多少来决定的,钎尾多时,需要的升温时间较长;反之,则升温的时间较短。若钎尾量为60根时,一般的升温时间一个小时左右,才到达指定的温度925。这个渗碳温度比一般的渗碳的温度(820左右)高,其原因是:提高渗碳温度,可以显著地提高扩散系数。当渗碳温度从920升高到1000是扩散系数就可以提高1.7倍以上,所以提高渗碳温度就能提高渗速,缩短渗碳时间;此外,由于温度越高,碳原子从表面向内部的扩散迁移速度也越高,因而从表及里碳
21、浓度梯度就必定趋于平缓。随着渗碳温度的提高,Fe原子自扩散加剧,使钢件表面脱位原子和空穴数增多,更有利于表面吸收 和溶解碳原子。同时,温度升高也增加奥氏体对碳的溶解度,此外,提高渗碳温度还能降低合金碳化物的稳定性,使碳化物溶解到奥氏体中,碳原子从碳化物中解脱出来成为自由状态,有利于扩散增加奥氏体的溶解碳原子能力。由此可见,提高渗碳温度,不仅能提高渗碳速度、增加渗层深度、减缓浓度梯度的变化,而且也能提高渗层的碳浓度。因为渗碳温度升高后,表面吸收碳原子的能力增强,加快了碳原子的扩散。具体如图2所示综上所述,渗碳温度的提高,虽然可以加快渗碳速度、缩短生产周期,但过高的温度会引起奥氏体钢的晶粒粗大,增
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