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摘要 ： 本文通過對鉆桿的工作環(huán)境、受力情況、性能以及帶狀偏析的危害分析，通過金相組織分析，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(chǎn)生就與組織的情況有極大的聯(lián)系。鉆桿的熱處理就是調(diào)質(zhì)處理， 本文研究的鉆桿的熱處理工藝其實(shí)主要研究消除鉆桿帶狀組織的熱處理工藝，解決了公司鉆桿工件中存在的問題。
關(guān)鍵詞 ： 鉆桿；硬度要求；金相組織；力學(xué)性能；帶狀偏析
一、引言
在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天， 機(jī)械行業(yè)的發(fā)展也是日新月異， 鉆桿在平日生產(chǎn)活動中扮演著越來越重要的角色，鉆桿分為地質(zhì)鉆桿， 非地質(zhì)鉆桿等。 本文主要研究的是非開挖地質(zhì)鉆桿。 非開挖地質(zhì)鉆桿是用于定向鉆進(jìn)施工中傳遞鉆機(jī)扭矩與拉力的一種工具， 由于它在定向施工中需要承受扭曲、拉力、彎曲、摩擦、振動，所以它的制作過程非常嚴(yán)格。 但是由于生產(chǎn)力水平的局限性， 在平時生產(chǎn)過程中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)鉆桿存在有帶狀偏析的現(xiàn)象，這嚴(yán)重影響了鉆桿的質(zhì)量及使用壽命。
通過對鉆桿熱處理，解決了該問題，對提高鉆桿質(zhì)量起到重要的作用。
二、鉆桿失效分析
鉆桿失效形式主要是鉆桿的斷裂。鉆桿在導(dǎo)向、定向鉆進(jìn)過程中一但斷裂，將會對工程造成嚴(yán)重影響， 不僅是經(jīng)濟(jì)上的巨大損失， 而且影響工期， 失去信譽(yù)，后果不堪設(shè)想。 因此，作為施工個人或企業(yè)， 一定要學(xué)會如何正確地選擇和使用鉆桿；而作為鉆桿生產(chǎn)廠家，要知道各種開挖或非開挖工程對鉆桿的特殊要求，生產(chǎn)出高強(qiáng)度、 高韌性和高可靠性鉆桿。 非地質(zhì)鉆桿失效原因我們可從兩方面來分析，人為因素和鉆桿本身存在的缺陷， 鉆桿本身的缺陷又分設(shè)計(jì)缺陷和材料本身存在的缺陷。 試驗(yàn)證明， 鉆桿受交變應(yīng)力作用而疲勞斷裂是鉆桿斷裂失效的主要原因。下表是鉆桿的主要失效形式和失效原因。
鉆桿的失效形式和原因
失效名稱 | 表現(xiàn)形式 | 失效原因 | |
操作原因 | 鉆桿自身原因 | ||
公扣根部斷裂 | 斷口較平整，無塑性變形 | 1.曲率半徑過??；2.擴(kuò)孔鉆頭與正常鉆桿間未連接過度桿； | 1.氮化層太厚 2.無應(yīng)力減輕槽 |
斷口呈螺旋狀，有局部塑性變形 | 施加的扭矩過大 | 1.接頭材料強(qiáng)度低；2.調(diào)質(zhì)處理硬度太低 | |
斷口處有縮徑 | 施加的拉力過大 | ||
桿體斷裂 | 斷口較平整，無塑性變形 | 1.曲率半徑過??；2.擴(kuò)孔鉆頭與正常鉆桿間未連接過度桿； | 1.桿體材料韌性差；2.桿體有嚴(yán)重劃痕 |
斷口呈螺旋狀，有局部塑性變形 | 施加的扭矩過大 | 1.接頭材料強(qiáng)度低；2.調(diào)質(zhì)處理硬度太低 | |
斷口處有縮徑 | 施加的拉力過大 | 桿體磨損變薄 | |
桿體至接頭過渡段斷裂 | 摩擦焊口處斷 | 1.焊口處未加厚；2.摩擦焊接工藝不對 | |
桿體彎曲變形 | 有不可恢復(fù)的彎曲變形 | 1.施工導(dǎo)向孔時，鉆桿處于自由狀態(tài)的長度過長； 2.孔內(nèi)遇較大障礙物 | 桿體材料剛性差 |
絲扣齒形變形嚴(yán) | 絲扣嚴(yán)重變形重，公母扣旋合變松，甚至脫扣 | 1.所受負(fù)荷過大； 2.未使用絲扣油 | 絲扣部分調(diào)質(zhì)硬度過低，未做硬化處理 |
粘扣 | 上扣時有冒煙現(xiàn)象，卸扣扭矩大，扣面有削落現(xiàn)象 | 未使用合格絲扣油 | 1. 絲扣硬化處理不合格;2.扣面光潔度低 |
3 鉆桿的組織性能要求
3.1 性能要求
鉆桿在使用過程中必須能夠承受巨大的內(nèi)外壓，這使得鉆桿必須要有足夠高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。而在鉆頭扭曲改變鉆探方向時又不能使管體發(fā)生彎曲變形、所以鉆桿又要有足夠高的塑性和韌性。通常情況下鉆桿應(yīng)滿足抗拉強(qiáng)度?b≥750Mpa,屈服強(qiáng)度?s≥550Mpa，伸長率
≥10%,斷面收縮率?≥45%,沖擊韌度 A K ≥50J。
3.2 金相組織要求
對于非開挖地質(zhì)鉆桿來說， 既要有足夠高的強(qiáng)度， 又要有足夠高的塑性韌性。通過調(diào)質(zhì)處理得到的回火索氏體可以滿足這樣的要求。想要獲得具有良好的回火索氏體組織， 前提是必須得要馬氏體， 因此調(diào)質(zhì)效果和鋼的淬透性有著密切的關(guān)系，我們必須保證我們所用材料具有足夠的淬透性。
回火索氏體是馬氏體于回火時形成的， 在光學(xué)顯微鏡下放大 500~600 倍以上 才能分辨出來。其為鐵素體基體分布的碳化物（包括滲碳體）球粒的復(fù)合組織。 它也是馬氏體的一種回火組織是鐵素體與粒狀碳化物的混合物。 此時的鐵素體已 基本無碳的過飽和度，碳化物也為穩(wěn)定型碳化物。常溫下是一種平衡組織。 如圖 1 所示：
4 鉆桿的材料成分和性能分析（35CrMo和 36Mn2V）
在企業(yè)的生產(chǎn)過程中根據(jù)鉆桿的性能要求通常會選用了35CrMo和 36Mn2V這兩種材料。
4.1 35CrMo
35CrMo 合金結(jié)構(gòu)鋼 , 有很高的靜力強(qiáng)度、沖擊韌性及較高的疲勞極限，淬透性較 40Cr 高，高溫下有高的蠕變強(qiáng)度與持久強(qiáng)度，長期工作溫度可達(dá)500℃；冷變形時塑性中等。
化學(xué)成分 | 36Mn2V | 力學(xué)性能 | 35CrMo | 36Mn2v | |
碳C | 0.32～0.40 | 0.34～0.39 | 抗拉強(qiáng)度σb(MPa) | ≥985 | ≥700 |
硅Si | 0.17～0.37 | 0.25～0.40 | |||
錳Mn | 0.40～0.70 | 1.45～1 .70 | 屈服強(qiáng)度σs(MPa) | ≥835 | ≥870 |
硫S | ≤0.035 | ≤0.025 | |||
磷P | ≤0.035 | ≤0.015 | 伸長率δ5(%) | ≥12 | |
鉻Cr | 0.80～1 .10 | 0.10～0.15 | |||
鎳Ni | ≤0.030 | ≤0.20 | 沖擊擊韌性值αkv (J/cm2) | ≥10 | ≥75 |
銅Cu | ≤0.030 | ≤0.20 | |||
鉬Mo | 0 .15～0.25 | 沖擊功Akv(J) | ≥63 | ≥55 | |
釩V | 0 .11～0.16 |
表 2 35CrMo 合金結(jié)構(gòu)鋼與36Mn2v化學(xué)成分及力學(xué)性能的對比
4.2 36Mn2v
36Mn2v 屬于中碳合金鋼具有高的強(qiáng)度和韌性。鉻元素的加入可以提高鋼的 淬透性，細(xì)化晶粒，減小過熱敏感性，但增加了鋼的回火脆性的敏感性。 0.15 ％ ≤ ωMo ≤0.25％，屬于微量元素，鉬元素的加入不僅可以提高鋼的淬透性，消 除鉻元素帶來的回火脆性，并使其調(diào)質(zhì)后能有高的沖擊韌性。
3.3 兩種材料合金元素的作用
(1) 碳元素的作用 鋼中含碳量增加，屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度升高，但塑性和沖擊韌性降低，當(dāng)碳 量超過 0.23%時，鋼的焊接性能變壞，因此用于焊接的低合金結(jié)構(gòu)鋼，含碳量一 般不超過 0.20%。碳量高還會降低鋼的耐大氣腐蝕能力，在露天料場的高碳鋼就 易銹蝕；此外，碳能增加鋼的冷脆性和時效敏感性。
(2)Cr 元素的作用 鉻可提高鋼的強(qiáng)度和硬度， 還可以提高鋼的高溫機(jī)械性能， 使鋼具有良好的 抗氧化性和抗腐蝕性，阻止石墨化，提高淬透性。
(3)Mn 元素的作用 錳是良好的脫氧劑和脫硫劑， 提高鋼的淬性， 改善鋼的熱加工性能， 提高了 鋼的屈服點(diǎn)和耐磨性。
(4) 釩元素的作用 釩是鋼的優(yōu)良脫氧劑。鋼中加 0.5%的釩可細(xì)化組織晶粒，提高強(qiáng)度和韌性。 釩與碳形成的碳化物，在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕能力。
(5) 鉬元素到作用 鉬能使鋼的晶粒細(xì)化， 提高淬透性和熱強(qiáng)性能， 在高溫時保持足夠的強(qiáng)度和 抗蠕變能力 ( 長期在高溫下受到應(yīng)力，發(fā)生變形，稱蠕變 ) 。結(jié)構(gòu)鋼中加入鉬，能 提高機(jī)械性能。還可以抑制合金鋼由于火而引起的脆性。 在工具鋼中可提高紅性。
(6) 硅元素的作用 提高鋼種固溶體的強(qiáng)度和冷加工硬化程度使鋼的塑性和韌性降低 硅能顯著的提高鋼的彈性極限、 屈服極限和屈強(qiáng)比以及耐腐蝕性。含有硅的鋼在 氧化氣氛中加熱時， 表面也將形成一層二氧化硅氧化膜， 從而提高鋼在高溫時的 抗氧化性。
5 石油鉆桿的加工工藝流程
(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，并對鋼管的成份進(jìn)行檢測。
(2) 鐓頭
由于鉆桿兩頭是在工作過程中直接接觸部分，所以要對鉆桿兩頭進(jìn)行鐓頭 加厚處理。即采用中頻爐將管體的兩頭部分加熱，然后采用熱擠壓的方法，將 一些鋼管上的材料加到兩頭處，即稱為鐓頭。
(3) 機(jī)加工一 緊隨鐓頭之后的一道工序，是將管體的兩頭進(jìn)行粗加工，如下圖所示為粗 加工完成后的鉆桿。
(4) 調(diào)質(zhì) 熱處理工序， 是用于改善鉆桿的整體力學(xué)性能， 使其具有較強(qiáng)的硬度和良好 的塑性、韌性。 ①奧氏體化： 把在室溫非奧氏體組織的鋼加熱熱到 Ac1 溫度以上時， 則鋼的 室溫組織開始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體； 稱之為奧氏體化。 這種奧氏體組織只有在高溫時穩(wěn) 定。 ②淬火：將鋼加熱到臨界溫度 Ac3 或是 Ac1 以上所給定的溫度并保溫一定時 間，然后將其快速冷卻。 ③回火：將淬火或正火后的鋼加熱到低于臨界溫度下的某一選定的溫度， 并 保溫一定的時間， 然后以一適宜的冷卻速度冷卻， 借以消除淬火和正火所產(chǎn)生的 殘余應(yīng)力和增加鋼的延展性及韌性。
(5) 檢測 對調(diào)質(zhì)處理后的鉆桿進(jìn)行力學(xué)性能檢測。其主要的是硬度檢測， 檢測設(shè)備洛 氏硬度計(jì)；以及對組織的分析。
(6) 校直 由于鉆桿在淬火過程中的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用，調(diào)質(zhì)處理后的鉆桿會產(chǎn) 生變形，通過校直使其恢復(fù)。
(7) 超聲波探傷 用來檢查金屬材料以及部分非金屬材料表面和內(nèi)部缺陷， 利用物理特性來判 斷工件或材料的缺陷和異常。
(8) 機(jī)加工二 在鉆桿的兩端分別車出外螺紋和內(nèi)螺紋，用于連接。
(9) 涂層 機(jī)加工完成后的鉆桿， 要進(jìn)行涂漆處理， 目的是為了防止鉆桿管體生銹， 另 外也是為了提高產(chǎn)品的美觀。
(10) 包裝 所有加工的工序完成后對產(chǎn)品進(jìn)行包裝銷售給顧客。
6 鉆桿中帶狀組織偏析形成原因及其危害
6.1 鉆桿中帶狀組織偏析形成的原因
圖 3 CuCl2 —的試劑浸蝕試樣
1 帶狀組織是由鐵素體和珠光體或鐵素體和奧氏體或鐵素體和貝氏體以及鐵 素體和馬氏體在鍛件中呈帶狀分布的一種組織，它們多出現(xiàn)于亞共析鋼， 奧氏體 鋼種半馬氏體鋼種中， 這種組織是在兩相共存的情況下，鍛造變形時產(chǎn)生的帶狀 組織能降低材料的橫向塑性指針。 帶狀偏析分為兩種： 管體上的帶狀偏析為鋼管冷拉過程中形成，帶狀偏析呈 冷拉的方向纖維狀，另一種是在管頭鐓粗過程中形成的呈鐓粗?jǐn)D壓的方向。 一般認(rèn)為， 帶狀組織是由于鋼錠的枝晶偏析所致。 鋼水在凝固時， 由于選擇 性結(jié)晶，在枝干上的成分較為純凈， 而在枝晶間富集了較多的碳、 合金元素和磷、 硫等雜質(zhì)。 鋼錠鍛軋變形時枝干和枝晶間被壓延而伸長為纖維組織， 形成一次帶 狀組織。用含有 CuCl2 的試劑浸蝕后在顯微鏡下觀察， 則會發(fā)現(xiàn)肉眼觀察到的那 些纖維組織經(jīng)放大后，變成黑白交替的帶稱為一次帶狀組織。
黑色條帶相當(dāng)于原樹枝狀晶的較純的枝干，白色條帶為原來富含合金元素和 雜質(zhì)的樹枝間區(qū)域。 熱軋低碳鋼、中碳鋼在緩冷國能中會出現(xiàn)先共析鐵素體和珠光體交替相間的 顯微組織帶狀，這些不同的組織是固態(tài)相變的產(chǎn)物。 這種帶狀組織稱為二次帶狀。 二次帶狀的形成意味著碳在固態(tài)相變中發(fā)生了不勻稱的重新分布，稱為二次探偏 析。一般所謂的鋼中的帶狀組織， 也即上述觀察到的帶狀組織即為二次帶狀組織。 將具有二次帶狀組織的熱變形鋼試樣改用含有CuCl2 的試劑浸蝕后在顯微鏡下 觀察，則顯示出一次帶狀組織。 只有在一次帶狀的基礎(chǔ)上才能形成二次帶狀組織。 一次帶狀組織難以消除， 雖然在高溫下或緩冷過程中， 碳能夠優(yōu)先達(dá)到相對均勻， 然而代位原子均勻化十分困難， 這些合金元素難以達(dá)到均勻狀態(tài)，尤其是碳化物
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