1、非開挖地質鉆桿的淬火方式對其性能的影響張雙關摘要：本文通過對鉆桿的兩種不同的淬火方式和這兩種不同淬火方式下經高溫回火調質后，對鉆桿兩端部位的硬度檢測及金相組織的比較，研究提出了淬火方式的選擇對力學性能的影響，采用了橫式淬火的淬火方法，解決了鉆桿因豎式淬火而造成的鉆桿兩端硬度不均勻的問題，滿足了客戶的要求和鉆桿在使用過程中所需的力學性能要求。關鍵詞：鉆桿；淬火方式；硬度；力學性能。一、鉆桿的工作環境與失效分析1、鉆桿的工作環境分析鉆桿是連接鉆機與鉆頭的重要構件，在地質鉆探或其它非地質鉆探過程中，鉆頭若想在地層中順利地進行鉆探，包括深度的加深、改變鉆探的方向等，都必須依靠鉆桿將鉆機施予的力傳遞給鉆

2、頭；對于鉆機來說，它也要通過鉆桿的旋轉和拉動將轉矩和軸向壓力傳遞給鉆頭，從而才能帶動鉆頭，達到對地層進行鉆探的目的。因此，在整個鉆探過程中，鉆桿要承受巨大的彎曲、扭轉及沖擊力的作用。2、鉆桿的失效分析由鉆桿的工作環境及受力情況分析，鉆桿的主要失效形式有斷裂、塑性變形（如彎曲）、絲扣嚴重磨損等。其中以斷裂這種失效形式最為嚴重。這種失效形式表現為當鉆桿頭部的軸肩處承受較大的扭轉作用及沖擊力作用時，鉆桿便會在此處發生斷裂。斷裂發生后，三牙鉆頭由于和外界失去了連接，只能留在地層而無法取出，而三牙鉆頭的造價又相當昂貴，這樣就會給客戶帶來相當大的損失。 出現斷裂的原因往往是由于鉆桿頭部軸肩處與管體相連接的

3、地方硬度較高，塑性和韌性較差。通過金相組織的分析，這一部分的回火索氏體組織（淬火+高溫回火得到的組織）的晶粒度等級通常不在要求的等級范圍之間，這種情況的產生與淬火過程有著極大的聯系。除斷裂外，還有就是彎曲。即鉆桿的桿體部分發生塑性變形。當管體彎曲的弧度較大，超過管體的彈性極限時，管體則發生塑性變形。鉆桿發生塑性變形對客戶的影響較小，沒有斷裂產生的影響嚴重，只需要經過校直，即可以使鉆桿恢復，然后再次重新投入使用，之所以會發生塑性變形，這也跟鉆桿的淬火調質處理有著密切的關系。若調質的鉆桿硬度較低，組織中回火索氏體組織較少或索氏體晶粒較為粗大，層片間距較大，則鉆桿的塑性，韌性就差，那么出現彎曲也就在

4、所難免了。鉆桿絲扣的磨損現象是與絲扣的表面硬度有關，這與產品在鍍鉻處理過程中的質量有關，與調質處理無關，在此不再作進一步分析。二、鉆桿的性能要求非開挖地質鉆桿在工作過程中主要受到鉆機方向傳來的扭轉作用和沖擊作用，在鉆頭改變鉆探方向時，鉆桿的管體要受到彎曲的作用。所以，這時我們就要要求鉆桿既要有足夠高的強度用來抵抗扭轉和沖擊作用，而不使鉆桿發生斷裂；又要有足夠高的塑性和韌性用來滿足在鉆頭變向時而不使管體發生彎曲變形。所以，鉆桿的熱處理方式要采用調質熱處理。目前，對鉆桿的性能要求主要是對硬度方面的要求，因為在通常情況下，鉆桿硬度在3035hrc之間時的力學性能即可滿足鉆桿在使用時的性能要求。但是也

5、有公司提出了具體的力學性能要求。如提出api鉆桿管體鋼級為s135的：931mpas1138mpab1000mpaakv54%鉆桿接頭：s827 mpab965mpaakv54%但是總的來說，調質后的鉆桿，從理論上講已經完全可以達到上面所要求的力學性能，至于實踐中的具體結果是否和理論上的一致，要取決于生產過程中的控制了。三、鉆桿常用材料及其性能分析我們企業鉆桿常加工的材料主要有兩種：42crmo和30crmnsi材料42crmo和30crmnsi的化學成分分析1、42crmo的化學成分分析材料42crmo的含碳量為0.380.45%,屬于亞共析鋼，同時0.25%c0.60%,是典型的中碳鋼。0

6、.90%cr1.20%,鉻元素的加入可以提高鋼的淬透性，但同時卻增加了鋼回火脆性的敏感性。0.15%mo0.25%,屬于微量元素，鉬元素的加入也可以提高鋼的淬透性，但它的加入則可以明顯的降低鋼的回火脆性的敏感性。2、30crmnsi的化學成分分析材料30crmnsi的含碳量為0.270.34%,同樣是在亞共析鋼范圍內的低中碳鋼，其合金元素的含量3%，屬于低中碳低合金結構鋼。其中0.80%cr1.10%，鉻元素的加入是為了提高鋼的淬透性，淬火后可獲得更多的馬氏體組織，和鉻元素的作用一樣，錳元素和硅元素的加入也是為了提高鋼的淬透性的能力。其中0.80%mn1.10%，0.90%si1.20%，但是

7、crmnsi三個元素復合加入時，則明顯提高鋼的回火脆性。由此可知，材料30crmnsi是有回火脆性的低中碳低合金鋼，且淬透性較好。材料42crmo和30crmnsi的在淬火后不同溫度下回火的力學性能曲線如圖1-1和1-2所示，淬透性曲線如圖1-3和1-4所示。圖1-1 42crmo鋼在淬火后不同溫度下回火的力學性能曲線圖1-2 30crmnsi鋼在淬火后不同溫度下回火的力學性能曲線圖1-3 42crmo淬透性曲線圖1-4 30crmnsi淬透性曲線四、鉆桿的加工工藝流程本文所論述的鉆桿是用于非地質開挖場合，所以，其加工工藝會有所區別。如下圖為非地質開挖鉆桿的加工工藝流程：下料鐓頭機加工1調質檢

8、測校直機加工2鍍鉻涂漆包裝1、下料從無縫鋼管上截取等長的單個管體。這里的無縫鋼管是由圓柱形鋼材通過熱擠壓之后形成的。2、鐓頭由于鉆桿兩頭在工作過程中是接觸部分，所以，要對鉆桿兩頭進行鐓頭加厚處理。即采用中頻爐將管子頭部加熱，然后采用熱擠壓的方法，將一些鋼材加到管子上去。即稱為鐓頭3、機加工一緊隨鐓頭之后的一道工序，是指將管體兩頭進行粗加工，如下圖所示為粗加工完成后的鉆桿。4、調質熱處理工序，用于改善鉆桿整體力學性能，使其具有較強的硬度和良好的塑性、韌性。5、檢測即對調質處理后的鉆桿進行力學性能檢測，主要為硬度檢測。檢測設備為洛氏硬度計。6、校直由于鉆桿在淬火過程中的組織應力和熱應力的作用，調質

9、處理后的鉆桿會產生變形，通過校直使其恢復。7、機加工二即在鉆桿兩頭分別車出外螺紋和內螺紋，用于連接。8、鍍鉻為了增加螺紋表面的耐磨性，即在內外螺紋處電鍍鉻元素，以增加螺紋表面的硬度。9、涂漆機加工完成后的鉆桿，要進行涂漆處理，目的是為了防止鉆桿管體生銹，另外也為了產品的美觀。10、包裝上述9道工序即完成了鉆桿加工，剩下的就是包裝了，將鉆桿包裝成捆，交給客戶，完成交易。五、鉆桿加熱設備及冷卻劑概述1、鉆桿加熱設備概述無錫長江熱處理廠所采用的加熱設備為普通的臺車式電阻爐。優點是價格低廉，生產成本低，生產量大等；缺點是容易使工件氧化脫碳，爐溫不均勻，密封性也差等。臺車式電阻爐的電熱絲主要分布在爐子的

10、兩個側墻上的擱磚上和臺車爐板的下面。為了使爐溫盡量均勻，故在爐子的上方安裝了風機；為了減小由于爐子密封性不好造成的氧化脫碳現象，在爐門口的兩側和臺車的兩側添封耐熱石棉。2、冷卻劑概述無錫長江熱處理廠所采用的淬火介質為32號機械油，閃點為180200，燃點為220。其性能是流動性較差，冷卻能力低，但是卻降低了工件在淬火過程中開裂的傾向，而且因為其閃點比其他的淬火油高，所以在淬火過程中不易產生起火的危險，同時，它又具有價格便宜的優點。六、鉆桿調質工藝的選擇及優化1、鉆桿調質工藝的選擇由本文中鉆桿的常用材料及其性能分析可知，用于制造鉆桿的材料為中碳低合金鋼，所以在淬火時，一般都為高溫油淬。在此理論基

11、礎上，我進行了以下實驗：實驗材料：42crmo和30crmnsi的環形試樣各一只，直徑為73mm,壁厚為8mm。實驗記錄如下：淬火溫度為860加熱設備為100%nacl鹽浴爐,最高使用溫度950保溫時間5min淬火介質為32#機械油硬度檢測范圍為:45hrc46.5hrc檢測設備為洛氏硬度機回火溫度為550加熱設備為臺車式電阻爐(放在別的工件上帶回火)保溫時間為5h硬度檢測范圍為30.5hrc33hrc檢測設備為洛氏硬度機2、鉆桿調質工藝的優化由上述實驗可知,材料42crmo和30crmnsi都可用同一種工藝達到客戶所要求的硬度范圍之內(3035hrc)。所以，在此基礎上，結合企業的實際生產情

12、況便可對工藝進行優化。由于鉆桿要進行批量生產，而且每批鉆桿淬火的相隔時間較短，每爐的裝爐量又較大，所以容易出現油溫過高的問題，這樣就不僅會造成鉆桿淬火后的硬度沒有理論結果的好，而且油溫過高更容易使淬火油發生起火的危險；再考慮到無錫長江熱處理廠的加熱設備較落后，易使工件發生氧化脫碳現象，加熱效果較差，淬火油的流動性較差等現有的生產狀況，實驗中的淬火溫度已不能達到預想的結果。據此制定如下工藝以待檢驗：1.5h880h油冷空冷5h550經實踐反復證明，經上述工藝加工完成后的鉆桿，通過硬度檢測，驗證此工藝完全滿足實際生產的需要。檢測結果記錄：爐號淬火后硬度回火后硬度cj/t1001h42.845.6h

13、rc30.134.2hrccj/t1002h42.546.5hrc30.334.8hrccj/t1003h43.145.9hrc30.633.9hrccj/t1004h42.746.3hrc30.035.0hrccj/t1005h42.445.3hrc30.234.0hrc檢測位置如下圖所示這樣確定鉆桿的調質工藝為：1.5h880h油冷空冷5h550鉆桿調質工藝卡片：某鉆探工具廠熱處理工藝卡標記工件名稱鉆桿工件編號000481產品型號（工件草圖）材料及牌號30crmnsi化學成分（質量分數）%處理要求處理前之要求外形尺寸73×8×309030-35hrc工件重量46kg每車

14、件數24件工件送來部門工件送往部門處理前狀態正火工序號工序設備型號名稱加熱冷卻同時裝爐數量工序之要求工人等級工時定額溫度/加熱時間/h保溫時間/h冷卻劑溫度時間方式基本工時/min輔助工時/min每件工時/min001淬火rt2-240-98800.51.532#機油5010min24中級002回火rt2-65-95500.56空冷80中級003校直yw41-63高級編制001校對001審核000七、鉆桿采用豎式淬火時的工裝夾具1、鉆桿淬火時的工裝夾具鉆桿屬于長軸類管體工件，所以在豎式淬火時，若鉆桿的兩頭不進行密封處理，則會出現噴火現象，即沸騰的淬火油從上端的管孔冒出，并且會燃燒，沖出很高。有

15、時會發生引燃廠房頂部的危險；不僅如此，若鉆桿兩頭都不密封，行車也無法進行起吊工件。所以至少要對鉆桿的一頭密封。這里我們采用的是鉤掛件（如下圖所示）。既能完成密封，鉆桿在淬火時不會發生危險，又能為行車起吊工件提供便利。2、鉆桿進爐時的工裝夾具解決好鉆桿淬火時的工裝夾具，那么怎樣才能完成裝爐工作呢？待加工的鉆桿，當一頭焊接好鉤掛件后，另一頭也需要一個類似鉤掛件的工具，以方便行車吊裝時鏈條鉤掛。為此，我們采用下圖所示的鉤掛工具 這樣，在進爐時，我們只需要將放在最下面一層的鉆桿擺放好，插入鉤掛件，然后疊加放置鉆桿，行車就可以吊裝進爐，整齊的擺放在臺車板上，便完成裝爐的工作了。八、鉆桿采用橫式淬火時的工

16、裝夾具1、鉆桿采用橫式淬火時的吊具要使鉆桿在淬火時橫著放置進入冷卻介質，必須有一個支架能夠用來支撐鉆桿。仔細研究工件的特點，不難發現鉆桿若橫著放在支架上，行車在起吊時，有可能會從支架上滑落下來。所以，我們要求支架在起吊后支架上的鏟腳能夠向上傾斜一定的角度，由此，我設計制作出了下圖所示的吊具： （1）吊環：用于鉤掛行車和起吊，且吊環的位置應當比整個支架的重心線往前偏出80mm（如上圖），這樣才能保證行車起吊后支架上的鏟腳能夠往上傾斜一定的角度，鉆桿才能平穩的起吊而不至于滑落下來。（2）加強臂：增加吊架的強度，保證吊架可長期、連續使用。（3）鏟腳：用于支承鉆桿。另外，還要有吊架的輔助工具。因為在實

17、際的操作過程中，當行車起吊時，吊架會隨行車的走動而發生擺動，這時，鏟腳便不能保持平穩。所以，要有一個輔助工具來對吊架的平穩性進行協調。下圖即為吊架的輔助工具2、鉆桿在橫式淬火時進爐的工裝夾具由于要采用橫淬，而且吊架帶有鏟腳。那么，每層鉆桿之間要留有間隙，以方便鏟腳的插入。在這里我們采用每層鉆桿下方墊方管的方法，將鉆桿進行隔離。方管示意圖如下：鉆桿雖然以分層的方式擺放好，但還是不能進爐，因為行車無法對鉆桿鉤掛。只有將分層擺放好的鉆桿放在一個可以用行車起吊的吊架上即可進行裝爐。吊架如下圖所示： 有了上述的工裝夾具，鉆桿才能進爐、淬火，順利地完成操作。九、兩種不同淬火方式下的鉆桿質量對比1、兩種不同

18、淬火方式下的鉆桿金相組織的比較在豎式淬火過程操作中，鉆桿進入冷卻介質時是由行車吊著一頭先進入，另一頭后進入油槽，兩頭進入介質時存在時間差，這樣兩頭進入冷卻介質時的溫度是完全不一樣的。根據紅外線測溫儀的數據顯示，先進的一頭在進入介質之前的溫度表明其并沒有發生珠光體型轉變，所以，在淬火后經高溫回火調質后的鉆桿組織為回火索氏體+殘留奧氏體+合金碳化物，且回火索氏體的晶粒度6級，所占的比例較多；而后進的一頭在進入介質之前的溫度表明其已經開始發生珠光體轉變，這樣再通過調質后的鉆桿組織為回火索氏體+珠光體+殘留奧氏體+合金碳化物，其中回火索氏體的晶粒度6級，但是所占的比例較少。但客戶要求得到的組織中不允許

19、有珠光體存在，那么豎式淬火已經不能滿足客戶的要求了。如果采用橫式淬火方法，則不會出現上述問題。原因是，鉆桿淬火時是橫著進入淬火介質的，即鉆桿的兩頭進入冷卻介質時不存在時間上的差別，那么進入介質時的溫度也基本上是一致的。所以鉆桿的兩頭都沒有發生珠光體轉變，調質出來的鉆桿組織均為回火索氏體+殘留奧氏體+合金碳化物，且回火索氏體的晶粒度6級，所占的比例較多。上述組織完全滿足了客戶的要求。2、兩種不同淬火方式下的鉆桿硬度方面的比較豎式淬火過程中，鉆桿的淬火要用行車吊著進入冷卻劑，鉆桿兩頭的淬火存在時間的差別，很明顯先進入的一頭由于溫度較高，在臨界溫度線以上，淬火后得到的組織基本上是馬氏體組織+合金碳化

20、物；而后進入的一頭在進入淬火介質時已經有珠光體轉變，所以淬火得到的組織除了馬氏體組織+合金碳化物以外，還有少量的珠光體組織。不僅如此，鉆桿在裝爐時是采用了一頭焊接鉤掛件，而且，要放在靠近爐門口的爐底板上，以便淬火時的出爐。這樣一來，焊有鉤掛件的一頭是最先出爐，但進入冷卻介質時卻是最后才進入的，所以等到它進入冷卻劑時，它的溫度已經在臨界轉變溫度線以下了，也就是說已經發生了珠光體轉變，淬火得到的組織中有珠光體，馬氏體組織也就相對少了許多。也就是這些原因造成了鉆桿先進入冷卻劑的一頭的硬度比后進入的一頭的硬度高。那么再經高溫回火調質出的鉆桿的兩頭的硬度也就出現了一頭硬一頭軟的現象，通常情況下，軟的一頭

21、的硬度也沒有在所要求的硬度范圍之內（hrc3035）。但是，如果采用橫式淬火的方法，上面所出現的問題便可迎刃而解。在橫式淬火過程中，由于鉆桿是通過吊架的鏟腳水平放置進入冷卻介質的，那么鉆桿的兩頭應是同時進入冷卻介質中的。當然也就不會存在時間差和溫度差，所以，最后鉆桿兩頭所得到的組織應基本上保持一樣的，那么硬度也就一樣了。這樣再經高溫回火調質出的鉆桿兩頭的硬度值也就非常均勻了。3、兩種不同淬火方式下的鉆桿的力學性能的比較（1）豎式淬火過程中的各種不利因素造成了鉆桿兩頭組織不一樣，硬度不一樣，所以力學性能也就不一樣了。如下表所示，先進入冷卻介質的一頭的力學性能明顯優于后進入冷卻介質的一頭：鉆桿位置

22、抗拉強度（mpa）屈服強度（mpa）攻口（后進）954b987876s972母口（先進）1020b1245945s1148（2）橫式淬火過程避免了豎式淬火過程中的各種不利因素，基本上保證了鉆桿兩頭的組織一致性，硬度一致性，所以，在力學性能方面也就能保證一致了。如下表所示：鉆桿位置抗拉強度（mpa）屈服強度（mpa）攻口b1050950s1139母口b1080964s11584、兩種不同淬火方式下的鉆桿變形方面的比較在淬火過程中，油槽中的冷卻液要不停的翻動，以保證工件帶來的熱量盡快的散發出去，而不致使油溫過高產生危險。但是冷卻介質的流動也往往會給淬火工件帶來嚴重的變形。在鉆桿的豎式淬火過程中，油

23、槽中的介質是左右方向流動的，而工件的入油方向則是上下方向移動的。而淬火本身就因熱應力和組織應力的作用會使工件發生變形，再加上淬火介質的流動方向互相垂直，油的左右方向的流動力會增加鉆桿的變形，所以，在豎式淬火過程中的鉆桿的變形量是相當大的。變形量過大所帶來的后果就是，在校直時會給工人師傅帶來一定的難度和巨大的工作量，這樣不僅需要消耗掉許多工時，而且還增加了由校直帶來的新的內應力。但是，如果是橫式淬火，鉆桿水平放置在油槽中，油在鉆桿里的油可以自由地流通，鉆桿除了自身的熱應力和組織應力外，油槽里的油的流動不會再給鉆桿帶來新的外力，所以產生的變形量較小，那么在校直時就方便了許多。綜上所述，鉆桿的淬火方

24、式對鉆桿的調質后的質量有著巨大的影響，在不能改變企業現有生產條件的情況下，選擇優良的淬火方式對企業的生存和發展是至關重要的。十、兩種不同淬火方式的生產效率的對比采用豎式淬火的方法，鉆桿不能馬上進爐，首先要進行的是封頭處理，焊接鉤掛件。然后才能用行車吊裝進爐。在淬火時，必須要有五個人才能完成淬火工作。一個人負責開行車，一個人負責釣鉤鉆桿，一個人負責開爐門和抬鉆桿，一個人負責將鉆桿從爐中拉出來，最后一個人負責抬鉆桿。而且，只能一根一根地淬火，每次淬火時，還要不停的開爐門和關爐門。每爐淬火所需要的時間為三十分鐘。所以，每個生產班組在八個小時的工作時間里最多只能完成兩爐鉆桿的淬火。每爐27根，共54根

25、。而我們客戶每天所需要的量為七十根左右，可見，豎式淬火的工作效率相當低。若采用橫式淬火，鉆桿不用做封頭處理即可進行裝爐。將鉆桿分層放在方管上，一層并排擺放四根方管，鉆桿和方管互相垂直，然后，每層可以放8根鉆桿，最后，將三層鉆桿放在一個吊架上進爐。鉆桿在淬火時，用裝有鏟腳的吊架分層淬火，即將鏟腳鏟入每層鉆桿之間的縫隙中，然后吊起進入淬火介質。這個淬火過程只需要三個人便可以完成。一個人負責開行車，一個人負責開爐門，一個人負責穩定鏟腳。而且每次淬火即可以一次性對八根鉆桿完成淬火，每爐淬火的時間只需十分鐘左右，每個班組八個小時的工作時間里可完成三爐鉆桿的淬火，共72根鉆桿，滿足了客戶的要求。相比豎式淬

26、火的方法，工作效率提高了33.3%。十一、兩種不同淬火方式的生產勞動強度對比鉆桿采用豎式淬火時，從裝爐到淬火完成都需要很大的人力，在焊接鉤掛件時，電焊師傅的工作量是相當大的，有時候要蹲在地上一天，才能把工件焊接完畢。在裝爐時，鉆桿要擺放整齊，需要工人師傅一根一根地擺放好，然后才能吊裝進爐。在淬火時，需要工人師傅把鉆桿一根一根從爐里拉出來，然后還要一根一根地抬著走到油槽旁，用行車吊起進油。尤其在夏天，天氣炎熱，這樣的工作強度只會讓人感覺天氣更加悶熱。鉆桿采用橫式淬火時，首先電焊師傅不再對鉆桿焊接掛鉤件，在裝爐時，師傅只需要將鉆桿用行車吊裝放在擺好的方管上，擺放整齊后用行車吊著進爐；淬火時，也只需

27、用行車進行吊裝。所以整個工作過程只需要行車進行完成，對工人師傅而言，勞動強度減輕了很多。十二、兩種不同淬火方式的生產成本對比鉆桿采用豎式淬火的生產方式，對人力，物力和能源的需求都很大，從人力方面來說，不管是進爐前的準備工作，還是進爐及淬火都需要投入大量的人力與勞動力，那么廠家就需要投入相應多的資金來償付工人勞動報酬，從物力方面來說，焊接輔助工具鉤掛件所用的焊條耗費量也很大；不僅如此，調質后的鉆桿還要用氧氣把鉤掛件從鉆桿上燒下來，也要消耗資金和人力。從能源上來說，淬火時，每次開爐門都帶來能源的損耗，降低了能源的利用率。鉆桿采用橫式淬火的生產方式，在人力，物力和能源方面的需求要明顯比采用豎式淬火的

28、生產方式低，首先不需要大量的人力，少數幾個人就可以完成多數人（豎式淬火的生產方式）的工作量，其次，此生產過程中不需要消耗焊條及氧氣，在物力上就節省了。再次，因為在淬火時開爐門的次數減少了，所以對能源的利用率也大大提高。生產成本自然也就降下來了。十三、結論 通過優化熱處理工藝，改進熱處理工裝和淬火操作方式可以有效地提高產品質量、提高企業效益。參考文獻1、熱處理手冊第三版全冊，機械工業出版社。熱處理手冊編委會 編 2001.82、熱處理工程師手冊第二版，機械工業出版社。樊東黎等 編 2004.93、熱處理及工程材料 無錫職業技術學院 徐年寶 主編 2005.114、熱處理工藝全書 山西人民出版社 謝紹自 主編 2005.105、世界鋼號手冊 機械工業出版社 林慧國 主編 1990.96、熱處理實用數據速查手冊機械工業出版社 葉衛平等 編 2005.6畢業設計小結轉眼間，為期兩個多月的畢業設計已接近尾聲。回顧這兩個多月的設計過程，感慨萬千。吃了許多苦，做了許多事，雖然每