2 钎杆热处理工艺选择的依据是钎杆的基本要求和钎杆的失效分析钎杆的基本要求因品种而异，钎杆的失效原因，有钎杆结构设计不合理或制钎过程各加工工序的缺陷，还有使用时的失误等等。

但热处理工艺是否适当，热处理时是否存在质量问题，是内在的、是本质的。要针对钎杆失效的最主要原因，排除了各种外在的因素以后，选择保证内在质量的最佳热处理工艺。

3 钎杆热处理工艺选择要遵循经济性、合理性和可行性原则目前热处理技术的发展，日新月异，除了常规的热处理、感应加热、化学热处理、真空热处理之外，还有高能束（激光、电子束等）热处理、物理气相沉积和化学气相沉积、离子注入、喷涂等新的表面强化热处理技术。钎杆是细长杆件，要进行整体处理有很大的局限性，往往一种热处理工艺无法满足钎杆各部位的基本要求，应选择几种热处理工艺，分别对各部位进行处理。如何在众多的热处理技术中选择适合于钎杆的各种基本要求的热处理工艺，就要考虑经济性、合理性和可行性。

4 选择热处理工艺的最终判据是钎杆实际使用寿命的提高程度

到目前为止，钎杆质量的高低最好的判定是进行实地矿山凿岩试验。在此之前，国内外不少公司和科研机构和高等院校，研制过钎杆室内寿命试验台和寿命测试装置，其试验或检测结果只能是相对性的或作为初步选择制钎工艺或热处理工艺的筛选手段。应该指出: 实地矿山凿岩试验数据往往也具有相对性，只有在同一地点、同一种机械、相同的操作水平， 数据经过统计处理才有比较可靠的对比性。矿山凿岩试验的高寿命结果，是热处理工艺选择的最重要依据。

1.B22、B25 六角钎杆的常用钢种和基本要求B22、B25 六角钎杆包括锥形连接和整体钎杆。我国大部分钎杆用户使用的是锥形连接钎杆。我国锥形连接钎杆用钢，经过近40年的大量试验、研究、生产和使用证明，55SiMnMo 钢是独具特色、符合我国资源的比较优秀的钎钢钢种。55SiMnMo 钢属贝氏体钢，在正火状态或热轧状态时（控轧控冷）杆体硬度在HRC35～38 时，具有高的弹性和疲劳强度， 金相组织是粒状贝氏体或板条贝氏体（同属上贝氏体）和富碳的残留奥氏体。

55SiMnMo 钢的正火组织（或热轧状态）与钢的化学成分和冷却速度有很大的关系。而正火状态（或热轧状态）的杆体硬度也与钢的化学成份和冷却速度密切相关。金相组织中的残留奥氏体量和是否出现针状贝氏体或马氏体或冷速太慢出现珠光体， 甚至铁素体等对钎杆的寿命都有显著的影响。当杆体硬度控制在HRC35～38 时，显微组织中的贝氏体, 显微硬度在HV420 左右，而高碳的残余奥氏体显微硬度高达HV750 左右。实践证明:在显微组织中不出现马氏体、下贝氏体和珠光体、铁素体的情况下， 上贝氏体+残余奥氏体量在25%～35%的范围，钎杆有高的凿岩寿命。

2.B22、B25 六角钎杆的基本要求是：

（a）高的疲劳强度和良好的韧性配合。

（b）低的缺口敏感和低的疲劳裂纹扩展速率。

（c）杆体要有好的弹性、钎尾在凿岩机活塞的冲击下，不会堆顶和炸顶。

国内外大量的研究工作和实践证明：B22 和B25 六角钎杆的钢材是六角中空钢，钢材的表面状态是热轧状态，在热轧的表面状态下要保证有高的疲劳强度，其最佳硬度是HB400 左右（HRC42 左右）。也恰好在这个硬度范围，细长杆件的弹性最好。B22和B25 六角钎杆的钎尾，在工作时要受到凿岩机活塞的高频冲击，所以对钎尾硬度有较严的要求,大量的研究和实践证明，钎尾硬度HRC50～54 的范围时， 钎尾不会出现堆顶和炸顶现象。

3.B22、B25 六角钎杆的工作条件和失效特点

国内的研究工作在八十年代初就已得出结论：B22 六角钎杆是在高频冲击下产生纵应力（拉-压应力） 为主和腐蚀条件下工作的，其冲击功率在60J 左右，冲击频率2000～3500 次/分，全应力为300 MPa，钎杆内孔通0.3～0.4 MPa 压力的矿水进行排屑和除尘。在这样的工作条件下，钎杆的正常失效是疲劳断裂失效。当钎杆外表面存在缺陷（脱碳、夹杂、折叠、碰伤缺口等）在高频应力下， 一些缺陷造成应力集中，形成疲劳裂纹和扩展进而发生外疲劳断裂。钎杆外表面不存在缺陷或经过表面强化（如抛丸、滚压等）时，会产生内疲劳断裂。内疲劳断裂有两种情况:

（a）表面无缺陷时，首先在高频应力和矿水腐蚀的共同作用下，在内表面形成应力腐蚀点，应力腐蚀点随着时间推移和应力及矿水腐蚀而加深，发展为腐蚀坑，腐蚀坑发展到一定深度后引起应力集中而扩展为疲劳源并发展为疲劳裂纹，裂纹扩展最终造成疲劳断裂。我们观察到腐蚀坑的深度在0.14～0.22 毫米时形成疲劳源和疲劳裂纹，随后疲劳裂纹迅速扩展而造成钎杆的内疲劳断裂。

（b）如果内表面存在缺陷时，在高频应力和矿水腐蚀的共同作用下，缺陷处引起应力集中和腐蚀加深，很快形成疲劳源或疲劳裂纹，往往不存在疲劳源孕育期，很快造成钎杆疲劳断裂。

对断裂后的B22 锥形钎杆， 钎肩前、杆体中部和锥体部位的内疲劳裂纹分布情况进行分析，钎杆在钎肩中部内疲劳断裂。从分析结果可以看出:钎肩前的内疲劳裂纹比较粗、长、深，说明这个部位的应力值最大，但裂纹数量相对要少。锥体部位的裂纹、数量非常多，密度高，但比较浅、小，说明此处受到的反射应力频率高，但应力值小，且观察到应力波和反射应力波的叠加区， 造成疲劳裂纹增多的情况。钎肩和部分钎尾的内疲劳分布情况说明，热扩水针孔的截面变化部位，由于出现应力集中而产生了裂纹；钎肩中部，若钎肩形状设计不合理，出现喇叭口时，也因应力集中现象而出现粗大裂纹，造成钎肩中部的断裂。

分析中还发现，钎肩设计合理的钎杆，钎肩中部内孔适当缩小， 但缩小的过渡区过于剧烈时也会出现粗大裂纹而在此处断裂; 试验中数支钎杆就是在此处断裂。试验还对杆体中部的内疲劳裂纹分布作了纵向剖视分析，从纵向剖面上可以看出; 杆体中部的内疲劳裂纹数量少，而且多是浅、小裂纹，说明其所受应力值小，反射波叠加也因距钎头远，反射波已经衰减而叠加现象减少， 所以杆体中部断裂的机率低些。

钎杆外疲劳裂纹的分布。钎尾、钎肩前、杆体中部的外疲劳裂纹无明显的规律性分布特征。这些部位的外疲劳断裂比较分散，往往与这些部位的外表面缺陷相联系。换言之，这些部位只要出现严重的外表面缺陷， 就会在这些严重缺陷部位产生外疲劳源， 并发展为疲劳裂纹且扩展而最终造成钎杆的外疲劳断裂。锥体部位的断裂，主要是外疲劳断裂，为此专门作了锥体部位的外疲劳分布的研究。

锻造锥体因几何尺寸精度差，与车床加工的钎头锥孔配合差，造成锥体的应力分布极不均匀，接触不良的部位受力大，容易产生裂纹。

主要有:

（1）钎杆锥体插入深度不够，在插入部与未插入部之间产生粗大外疲劳裂纹，容易造成锥体的中部断裂。

（2）钎杆的锥体是腰鼓形，所以锥体端部和中部都有粗大裂纹。

（3）钎杆锥度较好，只在锥体端部出现粗大裂纹。此外，少量钎杆锥体的外表面都可以看到“桔皮状”的粗糙情况，这是粗密疲劳裂纹造成的现象，与其锥体部位的疲劳裂纹一样，应力频率高，但应力值小。所以，锥体附近部位，如果没有严重的外伤（卸钎头时的严重敲击）或外表面缺陷，一般不在这些部位断裂。

在实际凿岩作业中，还经常遇到钎尾炸顶和堆顶的情况，个别的在钎尾108 毫米处根部断裂。钎尾108 毫米处断裂主要与根部圆弧的大小密切相关， 根部圆弧大于4.5 毫米并稍加改进圆弧过渡，此处一般不会断裂。

而钎尾炸顶和堆顶主要与钎尾热处理硬度有关，若钎尾淬火、回火后硬度仍高于HRC57则容易出现炸顶，而硬度低于HRC49 常常会出现堆顶情况。

B22、B25 六角锥形钎杆的生产工序是：定尺下料→矫正→钎尾扩孔（有加热扩孔、车床钻扩孔，热穿热拔中空钢的心孔比较圆时甚至不扩孔）→钎尾平头倒角→墩钎肩→车锥体→钎尾淬火回火→矫直→防腐处理→包装出厂。这种生产工序，杆体硬度取决于中空钢的热轧硬度，产品寿命波动性大。众所周知，我国中空钢生产厂，没有一家采用控制轧制或轧后控制冷却工艺。前面已经提及55SiMnMo 钢对高温加热后的冷却非常敏感，厂房内冬天和夏天的气温差别、冷床的大小和停留时间、生产节奏的快慢、风扇的摆放位置和远近距离等等， 再加上55SiMnMo 钢在标准范围内的化学成分波动都对中空钢的轧后硬度有很大影响。所以，要保证B22、B25六角钎杆的杆体质量和寿命，有必要对杆体进行热处理。

B22、B25 六角钎杆保证其热处理后达到HRC40 的工艺方法很多，有调质处理（淬火+高温回火）、亚温淬火+中低温回火、正火处理、表面感应加热淬火等等。从前面分析指出，要55SiMnMo 钢得到上贝氏体+30%左右富碳残留奥氏体的显微组织， 只有正火处理或控制轧制或轧后控制冷却处理才能保证上述组织，并能得到HRC40 左右的硬度。钎杆是细长杆件，正火处理弯曲度小，所以正火处理是保证杆体硬度最佳、最经济合理的热处理工艺。正火的方法很多，有中频感应加热正火、接触加热正火、井式炉加热炉正火、箱式加热炉正火等等。经过比较，只有中频感应加热正火，容易控制杆体硬度的均匀性。中频感应设备一般是选择l00kW 和2500Hz 的设备。

杆体中频正火工艺是：880°±20℃， 随后空冷或风冷（视环境温度而定），要注意杆体内外表面温度均匀一致， 正火后硬度控制在HRC36-38，不宜超过HRC42。最佳正火金相组织是上贝氏体+残留奥氏体， 要保证获得这种组织往往要经常调整冷却速度。

另外， 中频正火处理工序放在钎杆生产流程中那道工序最合适？目前有两种选择，一种是在定尺下料矫直后进行，正火后再矫直进入以后工序。这种选择的优点是产品矫直易进行，可在矫直机上矫直，矫直效率高。缺点是存在墩钎肩局部加热后产生的加热过度软区没有消除，且锥体车削加工硬度稍高，增加刀具消耗（一般正火硬度要略高于热轧硬度），且光洁度、精度稍差。另一种选择是钎尾淬火回火前进行正火处理， 这可基本消除前

面热加工造成的因局部加热而产生的过渡软区，缺点是在墩钎肩后正火，因钎肩的存在不易矫直、矫直效率低。所以，大批量生产往往选择前一种：而小批量生产采用后一种。而后一种的产品的寿命和质量要高于前一种。

钎尾的热处理， 主要是保证钎尾在活塞的高频冲击下不堆顶、不炸顶。对55SiMnMo钢来说， 钎尾硬度在HRC50-54 的范围时，将能满足上述要求。55SiMnMo 钢的钎尾热处理工艺是：870℃±20°。淬油，淬火加热最好采用中频感应圈加热， 加热长度70~80 毫米，淬火后硬度为HRC56-58。

钎尾回火工艺：320~340℃±10°。回火后硬度HRC52-54。该炉批的化学成分含碳量高（从质量保证书可以查到）宜采用温度高限；含碳量低宜选择温度低限。或回火后检查钎尾硬度若高出HRC54，要调高温度重新回火。若回火后硬度低于HRC48，钎尾要正火后再重新淬火，回火温度比原来要调低。钎尾回火，建议专用低温盐炉，局部回火，浸入盐槽长度不宜超过锥体钎肩，以比淬火长度深10 毫米为宜。

锥体的热处理尚未引起国内钎具生产厂的重视，国内钎具生产厂几乎没有一家专门针对提高锥体的质量而进行热处理的。目前我国B22、B25 六角锥形钎杆的锥体寿命，往往只有钎杆其他部位寿命的1/3。就连国内专业厂的现场凿岩寿命标定和行业钎杆寿命试验台检测，在锥体断裂时，是计算三次断锥体平均寿命代表钎杆的寿命。

锥体先于杆体断裂，有结构上的原因，也与高频冲击应力在锥体部位的传播特点有关。锥体端部的截面比杆体小。锥体与钎头相配合进行凿岩时，距岩石最近，高频冲击应力波传至岩石不进行破碎时，有一个等强度的反射波先回传至锥体再传回杆体，破碎岩石的应力和破碎后的反射波在锥体首先叠加，再传回杆体时逐步衰减。由于应力波和反射波在杆体的传播速度达5100 米/秒， 经计算机测试系统实测，每次冲击应力波将产生15次反射波，再加上锥体与钎头裤体相配后，成直角截面过渡，应力集中现象骤增。所以锥体所受应力（包括冲击应力的反射应力）往往大于杆体中部的应力而且呈不对称性。在实际凿岩时，若凿岩机推力不足或使用过钝的钎头，锥体断裂的机会更大。另外，还有锥体与钎头裤体配合不良，接触面欠佳或插入深度不够等等，更加剧了上述因素的破坏作用。因此，为了提高锥体的寿命，对锥体专门进行热处理和强化处理是十分必要的。

螺纹钎杆的失效大都在螺纹部位和过渡槽区域，破坏形式是疲劳断裂。其中钎杆在螺纹和过渡槽断裂占2/3， 杆体断裂占1/3 左右。螺纹钎杆外疲劳断裂占多数，而内疲劳断裂占少数（内表面存在冶金缺陷的除外）。螺纹钎杆的失效机理主要是微动磨损和冲击磨损而形成疲劳源，发展为疲劳裂纹，疲劳裂纹扩展导致钎杆最后断裂。所以，螺纹钎杆应该具有以下性能：

（1） 高的耐磨性和高的韧性；

（2） 高的疲劳强度和足够的刚性和弹性；

（3） 低的缺口敏感性和低的疲劳裂纹扩展速率；

（4） 要有一定的高温硬度和抗高温软化性；

（5）要有高的防腐性能和抗腐蚀疲劳的能力。

目前所有钢种中找不出一个能全面满足这些要求的钢种。即使在多种热处理工艺配合下，有些性能仍然无法满足。对各国螺纹钎杆的综合考察分析可知，目前只有低碳高强度合金钢，经螺纹成型加工后进行整体渗碳处理，空冷（或控冷）后两端螺纹及过渡槽进行淬火和低温回火，内孔和外表面进行喷砂或喷丸后进行防腐处理能获得较高较稳定的寿命。

从资料中所列的螺纹钎杆用钢，只有20 ~25CrNi3Mo 钢和24 ~27SiMnNi2CrMo 钢比较适合作螺纹钎杆。20~25CrNi3Mo 钢是国内外公认的最适合于螺纹钎杆的首选钢种，它具有高的强度和高的韧性，低的缺口敏感性和低的疲劳扩展速率。经整体渗碳后空冷（或控冷）有足够的刚性和弹性，经渗碳淬火、低温回火有高的耐磨性和高的疲劳强度，若再经过有效的防腐处理（如瑞典的SR 处理或静电喷漆处理）获得高的抗腐蚀疲劳能力。

该钢存在的问题是经渗碳处理后抗高温软化和高温硬度欠佳，且渗碳淬火后增加了钢的缺口敏感性。24~27SiMnNi2CrMo 钢是我国仿制的较好的螺纹钎杆用钢，若经上述的热处理和防腐处理也能获得略低于20 ~25CrNi3Mo 钢的钎杆寿命。至于其他35SiMnMoV、32Si2Mn2MoV 等Si-Mn-Mo 系钢，虽然有较高的强度和一定的韧性，但比起Cr-Ni-Mo 系钢有较大的差距。上述Si-Mn-Mo系钢经渗碳淬火后，可增加耐磨性，但缺口敏感性增加，韧性迅速下降，制成的螺纹钎杆脆性断裂大大增加，钎杆整体寿命大幅度下降。

0.35～0.45%含碳量的高强度合金钢，国外在二十世纪七八十年代曾用作大直径的螺纹接杆钎杆， 采用调质处理后中频（8000-10000Hz）表面淬火工艺。期望获得韧性和表面耐磨性的配合，但与上面的低碳高强度合金钢+渗碳淬火工艺路线相比，产品寿命仍有很大的差距（只是在联接套的应用上取得一定的成功）， 进入九十年代这种钢和工艺路线配合在国外的螺纹钎杆产品中已很少见到。

综合国内外几十年的螺纹钎杆研究和生产实践， 最佳的螺纹钎杆生产工艺路线是低碳高强度合金中空钢， 经成形加工后进行整体渗碳处理，在专用的冷却罐中控制冷却，两端重新进行中频加热淬火和低温回火，然后内外表面进行清理，再进行有效的防腐处理。

（1）渗碳工艺

螺纹钎杆进行整体渗碳处理要有足够深的井式气体渗碳炉。国内已有几家建成了有效深度4.5～7.0 米的井式气体渗碳炉， 采用滴注式气体渗碳。国外大部分用气源式。滴注式气体渗碳所采用滴注液配方很多:有甲醇+煤油、甲醇+丙酮、甲醇+甲苯、甲醇+醋酸乙脂、煤油+空气、甲醇+异丙醇（或同时加少量空气）等等。一般是用甲醇+丙酮;煤油+空气成本最低，但表面含碳量偏高和容易出现碳黑。较理想的是甲醇+醋酸乙脂的滴注液配方而且便于渗碳过程的碳势控制。甲醇+甲苯是渗碳能力很强的滴注液。上述各种配方可根据各厂的经验、使用习惯和生产实际选择。

渗碳温度是：920～930℃±10℃， 有的厂采用890℃±10℃，温度高、渗碳速度快、时间短、生产周期快。温度低一点、渗碳时间长但炉罐使用寿命时间长且表面含碳量易控制在理想范围， 螺纹钎杆渗碳层厚度一般控制在0.6～0.9 毫米， 钎杆直径大取上限， 直径小取下限（渗碳层厚度按>HV500 的厚度计算）。渗碳层表面含碳量最好控制在0.8～0.85%，一般不允许超过0.95%。

渗碳层表面含碳量的控制对螺纹钎杆是十分重要的。渗碳层表面含碳量的控制往往是通过炉内碳势来控制。碳势的高低与选用的滴注液配方有关，也与渗碳温度有关；渗碳温度高、碳势高、渗碳速度快；温度低、碳势低、渗碳速度稍低。螺纹钎杆渗碳层的表面含碳量过高，会出现网状碳化物，增加渗碳层的脆性和缺口敏感性；淬火后也会出现粗大的马氏体和过多的残留奥氏体，造成钎杆表面硬度低和耐磨性降低。表面含碳量过高势必造成碳深度坡度曲线变陡，容易造成渗碳层的剥落。

计算机控制技术在渗碳热处理过程的应用， 解决了一系列的渗碳热处理质量控制问题。可以通过微机控制：炉内碳势（≤0.05%C）、温度（精确度≤5℃，大炉子），渗碳层厚度（≤0.1 毫米）以及时间、流量、超温报警等诸多参数控制。保证钎杆渗碳质量的高要求。

（2） 渗碳后的冷却

渗碳后的控制冷却，主要目的是保证钎杆体获得较均匀的硬度，防止冷却过程中钎杆表面过份氧化或脱碳。国外螺纹钎杆专用渗碳炉，配有专门设计的控制冷却装置，可以控制和调节不同的冷却速度，以保证不同直径品种的冷却要求，而达到所规定的硬度要求和组织要求。国内个别厂家对原有的井式气体渗碳炉的冷却系统进行了技术改造。国内大部分厂家多采用罐冷、空冷式风冷，杆体硬度随品种和装炉量的不同波动比较大、均匀性也欠佳、给钎杆产品的弹性、刚性和使用寿命造成影响，应引起有关厂家的重视。

长钎杆经整体渗碳后冷却会出现较大的弯曲，给钎杆矫直增加了不少困难，而冷却后要保证钎杆有好的刚性和弹性，要求硬度在HRC40 左右， 弯曲的HRC40 的钎杆难于矫直，增加了矫直的工作量。大批量生产要配备效率高的矫正机。

在渗碳质量管理上，每炉要有随炉试样，作为该炉渗碳质量检查样品，并进行金相分析、渗碳层厚度测量、表面网状碳化物的评级等，并进行生产记录和备查。

（3） 渗碳后的热处理

钎杆整体渗碳后，为了提高两端螺纹部位的耐磨性和疲劳强度，要进行淬火和低温回火处理，其淬火、回火工艺是：840～860℃±20℃淬油+200～220℃回火。

淬火加热最好采用中频感应加热，加热长度略超过过渡槽（或搬柄槽），淬火后表面硬度应≥HRC58；回火，建议采用低温盐浴炉，回火后硬度≥HRC56。淬火回火后的钎杆要进行最终精矫直、表面清理和防腐处理。

（4）其他热处理工艺

目前国内一些钎具生产厂，受投资或条件的限制，不具备深井式气体渗碳炉，无法采用渗碳热处理工艺，而又要生产螺纹钎杆，有些厂采用国产35SiMnMoV 钢，常规淬火回火工艺或等温淬火+回火工艺生产螺纹钎杆。

实践证明，这种生产工艺路线，只能满足螺纹钎杆的部分性能要求， 产品寿命与上述低碳高强度合金钢+渗碳热处理工艺路线的产品相比有较大的差距。

此外，也应该指出：中空钢的生产工艺和冶金质量， 对螺纹钎杆的质量和寿命有着重大的影响， 凡是造成中空钢或钎杆内孔和外表面缺陷的因素，都会降低钎杆的使用寿命，凡是减少内孔和外表面缺陷或强化内孔和外表面的因素，都能有效提高钎杆的使用寿命。

最后指出： 低碳高强度合金钢经渗碳和淬火回火热处理+喷丸处理和防腐处理是目前最佳的螺纹钎杆制钎工艺。但低碳高强度合金钢经渗碳淬火回火处理， 虽然增加了螺纹钎杆的表面硬度、耐磨性、疲劳强度，同时也使螺纹钎杆表面的缺口敏感性增加。这一工艺也未能满足螺纹钎杆在凿岩过程中，联接套与钎杆螺纹之间的高频撞击所产生高热的抗软化能力。所以，螺纹钎杆仍有课题需要进行深入的研究。