公锥用钢材料选择及试验分析

试验用钢的化学成分见表1。其中，45SiMn2MoVA系由北京钢铁研究院提供的。据该院介绍，此钢是新研制的钎钢，钎是采矿工业在岩石上打炮眼的工具，服役条件有与公锥相似之处。过去采用低碳铬镍渗碳钢，寿命很低。后采用45SiMnMo2VA，使用寿命达到了国际先进水平。其他几个Si-Mn-Mo-V、Si-Mn-W-V和Si-Mn-Mo-W-V系的试验钢种，也是在钎钢的启发下选取的或重新设计的。37SiMnMoWVA和30SiMnMoVA是北京钢铁研究院研制的大截面调质钢。32SiMn2WVA和25SiMn2WVA是大冶钢厂和宝鸡石油机械厂研制的公锥试验专用钢。这些钢种，主要用锰、钼提高渗碳层的淬透性和心部淬透性。钒、钨、钼细化晶粒，提高塑性韧性。钒、钨的碳化物还增加渗碳层的耐磨性^[2]。钒、钨、钼是很强的碳化物形成元素，容易促使表面层碳的过饱和。但不太高的硅含量（1%以下），能起调节缓和的作用，使碳浓度分布平缓；同时，在高淬透性的钢中，硅不会有脱碳的假象（游离铁素体），也不会有游离石墨^[1]。

各试验钢种均由钢锭或轧材锻成模拟公锥毛坯，并进行了低倍组织、非金属夹杂物和力学性能检验，均达到了有关标准的规定。表2是力学性能检验结果。

表1 试验用钢的化学成分

表2 试验用钢的力学性能 （φ10mm试样）

注：表内力学性能数据均为3根以上试样的平均值。其中冲击韧性α_ku系梅氏冲击试验测定结果。

为了便于对比，选择公锥用钢时，均固定表面化学热处理工艺为渗碳处理。采用气体渗碳，在JT-105炉中进行。渗碳温度930℃，煤油滴量160～180滴/min，甲醇滴量70～90滴/min。渗碳层深度：20CrMo、20CrMn2SiMoA取0.8～0.9mm，25CrMo、25SiMn2WVA取0.7～0.8m，30CrMo、30SiMn2MoVA、32SiMn2WVA取0.6～0.7m.37SiMn2MoWVA和45SiMn2MoVA取0.5～0.6mm。渗碳层的碳浓度均要求在0.85%～1.1%的范围。共析和过共析层要占整个渗层的2/3。几个试验钢种渗碳后的碳浓度梯度如图3所示。

（1）第一组试验：淬透性的影响 20CrMn2SiMoA和20CrMo的端淬曲线如图4所示。这两种钢制成的模拟公锥进行模拟造扣试验的结果见表3。

图3 几种试验钢种渗碳后的碳浓度梯度（φ30mm剥层试样）

图4 20CrMo和20CrMn2SiMoA(www.xing528.com)

表3 淬透性对模拟试验结果的影响

表3的数据说明，淬透性对公锥造扣能力的影响是很大的。20CrMn2SiMoA的淬透性比20CrMo高得多，其造扣能力也大得多，消除了打捞扣剪断和压陷现象。

（2）第二组试验：心部强度的影响 20CrMo、25CrMo、30CrMo的碳含量不同，渗碳后其心部硬度和强度也不同。表4列出了这三个钢种制成的模拟公锥进行模拟造扣试验的结果。

表4的数据说明，心部强度对造扣能力的影响是很显著的。其大致规律是：随着心部强度的提高，打捞扣剪断和压陷现象减轻。

（3）第三组试验：淬透性和心部强度的综合影响 试验钢种的端淬曲线如图5所示。模拟试验过程，25SiMn2WVA、30SiMn2MoVA、32SiMn2WVA、37SiMn2MoWVA、45SiMn2MoVA五个试验钢种的模拟公锥均未发现打捞扣剪断和压陷现象。用游标卡尺测量了造扣部位磨损情况。模拟试验结果见表5。

表4 心部强度对模拟试验结果的影响

对比表3、表4、表5显然可以看出，这组试验的各钢种大大优于第一组和第二组的钢种，而且似乎碳含量越高的钢种效果更好一些。但45SiMn2MoVA心部塑性韧性过低，容易在造扣或卸扣时发生脆断，是不可取的。25SiMn2WVA、30SiMn2MoVA、32SiMn2WVA和37SiMn2MoWVA均可以选择作为公锥用钢。

图5 45SiMn2MoVA、37SiMn2MoWVA、32SiMn2WVA、25SiMn2WVA的端淬曲线