0 前言

釬頭(又稱鉆頭)是鑿巖釬具中直接鉆鑿和破碎巖石的部份。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，礦業(yè)開采、能源建設(shè)、基礎(chǔ)工程施工、交通道路發(fā)展等建設(shè)工程領(lǐng)域?qū)﹁弾r釬具的需求不斷增長(zhǎng)。同時(shí)，由于工業(yè)化的快速發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，鑿巖設(shè)備不斷進(jìn)化和升級(jí)，大功率鑿巖設(shè)備不斷推出更新，加上人們成本意識(shí)日益提高，各行業(yè)對(duì)鑿巖釬具產(chǎn)品的種類、性能和質(zhì)量也提出了更高的要求。

鑿巖釬具是人類征服巖礦石的工具，它的結(jié)構(gòu)是由一根細(xì)長(zhǎng)的中空鉆桿和一個(gè)鑲嵌有鑿巖硬質(zhì)合金的鉆頭組成。鑿巖過程中，在巖礦石的劇烈磨損及高壓水流(或壓氣)和礦坑水的沖刷腐蝕條件下，桿和釬頭承受著拉壓、彎、扭等各種力以及鑿巖機(jī)每分鐘2000~3000次左右的高頻沖擊，且每次沖擊功高達(dá)25J~500J，所以釬桿和釬頭常以應(yīng)力腐蝕疲勞斷裂的方式失效，其使用壽命一般僅十分鐘到幾十小時(shí)。因此，鑿巖釬具是人類所有鋼鐵機(jī)具中受力條件最苛刻、使用壽命最短、技術(shù)含量很高、而基礎(chǔ)工業(yè)又不可或缺的大量消耗性工具。

釬頭直接鉆鑿巖石，是鑿巖釬具中最易損的部件，它是用鑿巖硬質(zhì)合金鑲嵌在釬頭體上構(gòu)成。根據(jù)其使用的鑿巖合金形狀釬頭可劃分成以下幾類:片狀釬頭(主要有一字型釬頭、三刃型釬頭、十字型釬頭、X型釬頭)柱齒釬頭(以球齒釬頭、高低風(fēng)壓潛孔鉆頭)、片齒復(fù)合釬頭、牙輪鉆頭等(典型釬頭示意圖如圖1所示)。潛孔鉆頭主要用于露天作業(yè)，而牙輪鉆頭主要用于鉆井勘探，本文暫不討論。

片狀釬頭是我國(guó)歷史最早、使用最廣、生產(chǎn)量最大的釬頭品種。其中一字型釬頭大約要占到80%以上，主要用于小孔、淺孔鑿巖。而十字型、X型釬頭主要用于堅(jiān)韌中深孔。片狀釬頭由于結(jié)構(gòu)及受力等因素，其破碎巖石效率較低，進(jìn)尺較慢，合金用量大且較容易出現(xiàn)浪費(fèi)現(xiàn)象。而且其因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)和受力原因，最大直徑受到限制，一般一字型釬頭直徑不大于45mm，十字型釬頭不大于64mm，X型釬頭不大于89mm，否則易出現(xiàn)合金碎裂導(dǎo)致早期失效。除了大量低端市場(chǎng)及部份極堅(jiān)韌礦石外，片狀釬頭逐步不能適應(yīng)現(xiàn)代鑿巖的需要。現(xiàn)在，在很多中性及脆性巖石條件下，片狀釬頭正越來(lái)越多地被球齒釬頭代替。

球齒釬頭是用硬質(zhì)合金柱齒鑲嵌在釬頭體上組成的。相對(duì)于片狀釬頭而言，球齒釬頭布齒自由，可根據(jù)鑿孔直徑和破巖負(fù)荷大小，合理確定邊、中齒數(shù)目和位置，其釬頭直徑不受限制。而且因其是多點(diǎn)破碎，破巖效率更高，既可有效地消除破巖盲區(qū)，又避免了巖屑的重復(fù)破碎另外由于合金柱的磨蝕比片狀釬頭要高(合金柱齒受力主要是壓應(yīng)力，而合金片是張應(yīng)力，合金柱齒典型硬度更高)，其不磨壽命更長(zhǎng)，重磨工作量小，這點(diǎn)在機(jī)械化鑿巖臺(tái)車和深孔采掘的作業(yè)條件下顯示了較高的價(jià)值。因?yàn)檫@樣的作業(yè)條件下，更換釬頭要花費(fèi)很多時(shí)間，重復(fù)修磨間隔肯定越長(zhǎng)越好，所以在現(xiàn)代鑿巖中，球齒釬頭正占據(jù)著越來(lái)越重要的位置，呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢(shì)。

球齒釬頭根據(jù)其與釬桿的連接形式分，可分為錐孔連接釬頭和螺紋連接釬頭兩類。錐孔連接釬頭主要是替代一字型釬頭用于小孔及淺孔鑿巖，要求相對(duì)不高，生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，本文就不著重?cái)⑹觥６菁y連接球齒釬頭主要用于液壓鉆車等大型設(shè)備進(jìn)行中深孔作業(yè)，一旦鑿巖過程中出現(xiàn)損壞影響很大，所以其要求的技術(shù)含量較高制造工藝相對(duì)比較復(fù)雜。目前國(guó)內(nèi)高水平螺紋球齒釬頭生產(chǎn)廠家不多，且跟國(guó)外先進(jìn)企業(yè)如瑞典山特維克、阿特拉斯等相比，差距較大，起不到替代作用，很多要求較高的礦山、工程仍在使用進(jìn)口釬頭產(chǎn)品，不僅每年要花掉一大筆外匯，而且進(jìn)貨很不方便。所以，如何提高國(guó)內(nèi)的螺紋球齒釬頭的生產(chǎn)工藝質(zhì)量水平，是一個(gè)殛待解決的課題。下面我們從球齒釬頭的固齒工藝入手進(jìn)行探討。

1 球齒釬頭的固齒方法

釬頭固齒方法，指的是如何把鑿巖硬質(zhì)合金柱齒固定在釬頭體上，讓其起到支撐作用，保證釬頭在鉆鑿巖石過程中不產(chǎn)生合金柱齒的移位和脫落導(dǎo)致失效。現(xiàn)行固齒一般方法有三種:焊接、冷固齒、熱鑲齒。焊接工藝是最早使用的固齒工藝，它的方法比較簡(jiǎn)單，主要是通過焊接間隙確定出齒孔與合金柱齒的尺寸，根據(jù)釬頭結(jié)構(gòu)形式在釬頭體上鉆出相應(yīng)齒孔，然后用銅焊或銀焊的方法把合金柱齒焊接在釬頭體上即可，對(duì)鉆孔精度和柱齒尺寸要求不高。其缺點(diǎn)是操作相對(duì)困難，易留有焊疤影響外觀，且易出現(xiàn)缺焊，焊接強(qiáng)度不高，釬頭壽命較低。多用于生產(chǎn)錐孔連接小直徑球齒釬頭，現(xiàn)在已逐步被淘汰。

冷固齒工藝目前被大多數(shù)企業(yè)采用，工藝要點(diǎn)是根據(jù)釬頭體用鋼的屈服極限，計(jì)算出齒孔與合金柱之間的配合間隙，用過盈配合的方法，通過外力把柱齒壓入齒孔之中。其特點(diǎn)是工藝容易掌握，生產(chǎn)效率相對(duì)較高，但穩(wěn)定性有所欠缺。把合金柱齒壓人齒孔時(shí)，釬頭體及柱齒在外力作用下容易損傷，總體釬頭壽命有限，特別是晚期壽命較差，易出現(xiàn)掉齒、斷齒等現(xiàn)象。現(xiàn)主要用在要求相對(duì)不高、或不進(jìn)行重復(fù)修磨使用的螺紋球齒釬頭固齒上。

對(duì)于使用要求較高的螺紋球齒釬頭，我們主張采用熱鑲齒工藝，即選擇熱膨脹性和韌性都較好的合金鋼作為釬頭體用鋼，根據(jù)鋼體與合金柱齒在相同的受熱條件下，其熱膨脹性出現(xiàn)的差別，選擇合適的過盈量，即可很輕松地將合金柱齒鑲?cè)脞F頭體齒孔，待其冷卻至常溫鋼體收縮即完成固齒過程。熱鑲固齒工藝不僅操作簡(jiǎn)單，而且因?yàn)楣听X過程中合金柱齒及釬頭殼體的受力很小，基本上不會(huì)被損壞，所以其有更好的穩(wěn)定性。目前國(guó)內(nèi)球齒釬頭生產(chǎn)前列的釬具企業(yè)基本都用在選用這一固齒方法。

2 熱鑲齒工藝釬頭體用鋼的基本要求

釬頭在鉆鑿過程中接觸并破碎巖體，受到巨大的沖擊載荷和磨料磨損，使用條件極為苛刻，所以對(duì)釬頭體用鋼的要求也比較特殊。基本要求為:在熱處理狀態(tài)下材料具有較高的塑性、韌性和硬度；材料要有高的疲勞強(qiáng)度和耐磨性；材料要有較高的空冷硬性；且熱處理工藝簡(jiǎn)單成本低廉等。如果采用熱鑲齒工藝，釬頭體用鋼還必須具備以下幾點(diǎn):

a)在熱處理狀態(tài)下，硬度要達(dá)到40~50HRC的要求;

b)具有高強(qiáng)度的物理性能，保證高的固齒能力；

c)具有一定的高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，保證其使用時(shí)的固齒強(qiáng)度；

d)具有高的疲勞強(qiáng)度和耐磨性；

e)具有較高的線膨脹系數(shù)和回火穩(wěn)定性；

f)容易軟化退火并具有好的尺寸穩(wěn)定性和加工性(加工性包括切削性能，鉸孔性能，光潔度等)。

3 熱鑲齒工藝釬頭用鋼推薦

隨著采掘技術(shù)的不斷進(jìn)步，鑿巖機(jī)沖擊功率的加大，釬頭用鋼的要求也越來(lái)越高。目前，國(guó)內(nèi)外優(yōu)質(zhì)釬頭材料主要為Cr-Ni型優(yōu)質(zhì)鋼，如瑞典的24SiMnCrNi₂Mo(FF710)、英美的30Cr₂Ni₄Mo、前蘇聯(lián)的25Cr₂Ni₄Mo等。根據(jù)釬具材料的力學(xué)性能、耐磨性等要求，經(jīng)過合金化設(shè)計(jì)，優(yōu)化出一種名為Q45NiCr₁Mo₁VA，在這里作為熱鑲齒工藝釬頭體用鋼進(jìn)行重點(diǎn)推薦。

3.1 Q45NiCr₁MO₁VA 鋼的化學(xué)成份

Q45NiCr₁Mo₁VA 鋼的化學(xué)成分如表1所示。

3.2 主要合金元素在鋼中的作用及含量選擇

碳:主要影響鋼的強(qiáng)度和硬度。碳的強(qiáng)化主要是通過固溶強(qiáng)化、降低相變點(diǎn)細(xì)化晶粒、相變強(qiáng)化來(lái)實(shí)現(xiàn)。碳量過高，會(huì)降低鋼的韌性和焊接性能。碳具有極強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，強(qiáng)化系數(shù)為4410MP_a/W₁%。鋼中含碳量的增加雖然可以提高零件的強(qiáng)度和耐磨性，但卻損害了鋼的塑韌性和工藝性，所以設(shè)計(jì)鋼種碳含量時(shí)，要根據(jù)不同的條件來(lái)確定含碳量，釬頭體用鋼需要較高的強(qiáng)度和耐磨性及一定的塑韌性，選擇含碳在0.42%~0.48%間比較合適。

硅:硅一般以固溶態(tài)的形式存在于鐵素體或奧氏體中，固溶強(qiáng)化作用較強(qiáng)，強(qiáng)化系數(shù)為77MP_a/W₁%，可以提高鋼的強(qiáng)度和耐磨性。硅是縮小奧氏體相區(qū)的元素，但卻增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性及鋼中殘余奧氏體的含量，硅增加碳在奧氏體中的活度，強(qiáng)烈阻礙滲碳體的析出，提高鋼的抗回火穩(wěn)定性。硅對(duì)鋼的強(qiáng)韌性的影響極為復(fù)雜，隨著硅含量的增加，在一定的成分范圍內(nèi)，不僅提高鋼的強(qiáng)度而且提高鋼的韌性，同時(shí)還降低韌性——脆性轉(zhuǎn)變溫度。硅對(duì)馬氏體及貝氏體組織的影響，最令人注目的是利用硅提高奧氏體穩(wěn)定性及阻礙碳化物的析出，使鋼獲得一定含量的殘余奧氏體組成，改善鋼的強(qiáng)韌性。我們選擇硅含量為0.15%~0.30%。

錳:錳存在于鐵素體及奧氏體固溶體中，部分與鐵碳形成滲碳體,強(qiáng)化系數(shù)為24.5MP_a/W₁%。錳的強(qiáng)化可通過提高馬氏體、貝氏體的淬透性使馬氏體、貝氏體含量增加，并降低鋼的相變溫度，使晶粒細(xì)化，達(dá)到強(qiáng)化的目的。錳是擴(kuò)大奧氏體區(qū)元素，提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性及殘余奧氏體量，有利于鋼的韌性的提高，一般鋼的設(shè)計(jì)中都加人較高含量的錳。我們選擇其為0.60%~0.90%

鉬:鉬在鋼中具有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，強(qiáng)化系數(shù)為80.4MP_a/W₁%。在含有導(dǎo)致回火脆性元素(如Mn、Cr等)的鋼中，能防止或減輕鋼的回火脆性傾向，提高鋼的韌性，并增加抗回火性能。鉬溶于鐵素體中，增加鐵的自擴(kuò)散激活能，提高鋼的回復(fù)和再結(jié)晶溫度。鉬增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移，但鉬推遲高溫F-P轉(zhuǎn)變的作用遠(yuǎn)大于對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變的推遲作用，從而使珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變曲線分離，并使后者相對(duì)突出，大大提高貝氏體的淬透性。但由于鉬在世界范圍內(nèi)含量較少，是一種戰(zhàn)略資源，應(yīng)盡量少用。我們選擇其為0.90%~1.10%。

鉻:鉻在鋼中能有效的減緩?qiáng)W氏體的分解速度,提高鋼的淬透性、滲碳性能及回火穩(wěn)定性，在低碳鋼中，鉻和鉬有相似的作用，但不如鉬強(qiáng)烈。鉻推遲F-P轉(zhuǎn)變的作用明顯大于推遲貝氏體轉(zhuǎn)變的作用，同時(shí)使F-P轉(zhuǎn)變曲線與貝氏體轉(zhuǎn)變同線分離。鉻加入鋼中能顯著改善鋼的抗氧化作用，增加鋼的抗腐蝕能力。一般鋼在加人鉻的同時(shí)，還必須提高或加入其他合金元素，如Mn、Mo等，才能顯示出較好的性能。我們選擇加人鉻含量為0.90%~1.20% 。

鎳:鎳能提高鋼的淬透性及滲碳性能，極大的改善鋼的韌性和低溫沖擊韌性，是重要的合金元素之一，但由于其價(jià)格昂貴，在鋼的設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少其使用量。我們選擇的含量是0.40%~0.70%。

3.3 綜合性能

Q45NiCr₁Mo₁VA 鋼經(jīng)過上述合金化設(shè)計(jì)，成為Cr-Mo-V系統(tǒng)的低合金超高強(qiáng)度鋼(即高溫回火索氏體鋼)。由于在鋼中增加了Cr和Mo，大大提高了奧氏體化溫度，提高了回火穩(wěn)定性，降低了鋼的回火脆性。在采用高溫回火時(shí)，可以使其得到很好的強(qiáng)韌性配合，在基本相同的屈服強(qiáng)度水平下，具有較高的抗斷裂韌性。而其它合金的滲人可以保證其具有較好的淬透性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，其截面在25mm以下的部件，在靜止空氣中冷卻即可淬硬。

這種高溫回火的調(diào)質(zhì)鋼球狀碳化物彌散分布的基體組織還具有良好的抗硫化氫、二氧化碳、氯離子等的應(yīng)力腐蝕疲勞性能。其A_c1為730℃，A_c3為780℃，M_s為282℃。一般要求該鋼在熱軋加退火或高溫回火狀態(tài)下交貨硬260HB~270HB。

該鋼種熱膨脹系數(shù)高，在室溫下被加熱至500℃~525℃時(shí)熱膨脹系數(shù)為12x10^-6/℃，相當(dāng)于10mm大的孔徑可增大約0.06mm。而硬質(zhì)合金柱齒在相同的溫度下熱膨脹系數(shù)僅為其一半，這時(shí)就可以把磨好的合金柱齒很輕松地裝入釬頭體上鉆好的齒孔中，冷卻到常溫即完成其過盈配齒。該鋼的硬度可通過控制碳含量來(lái)調(diào)節(jié)，而鉬的存在可使其在保持較高的合金柱鑲嵌溫度下硬度不發(fā)生變化。用這種鋼制造鑿巖用釬頭殼體，具有較強(qiáng)的二次硬化效應(yīng)，在600℃溫度下的中溫回火，回火硬度在HRC47范圍內(nèi)，具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和韌性，可以充分保證釬頭體的耐磨性及保徑效果。

4 工藝研究

4.1工藝路線

坯料準(zhǔn)備一機(jī)加工成形(含釬頭外形、排粉槽、水孔、螺紋)一殼體熱處理一鉆鉸齒孔一測(cè)量齒孔一磨合金柱一鑲齒一表面清理一防腐一包裝。

坯料準(zhǔn)備可以用棒料，也可用鍛坯，坯料準(zhǔn)備時(shí)必須保證其退火硬度適合機(jī)加工要求，機(jī)加工中最重要的是必須保證螺紋、齒孔等關(guān)鍵部位的光潔度，一旦出現(xiàn)刀痕，將在熱處理過程中被放大形成疲勞源導(dǎo)致釬頭早期失效。齒孔精加工可以在熱處理后采用硬質(zhì)合金鉆頭在五座標(biāo)加工中心上一次性鉆鉸成形。也可采用鉆孔一熱處理一鉸孔的方式，前提是熱處理前鉆的齒孔必須留有適當(dāng)?shù)你q削余量，保證鉸孔時(shí)的光潔度同時(shí)鉸孔不會(huì)太困難。

4.2 熱處理工藝研究

鋼種要達(dá)到預(yù)期的性能，熱處理是最重要的一環(huán)。不僅要達(dá)到釬頭體需要的硬度，而且需要在此硬度條件下獲得良好的組織性能，有足夠的韌性和強(qiáng)度，同時(shí)降低回火脆性。經(jīng)過多種熱處理工藝試驗(yàn)，并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室力學(xué)性能分析，制定該釬頭用鋼的熱處理工藝曲線如圖2所示。

工藝過程及曲線說明:

a)穩(wěn)定化:采用 RJJ-75井式爐，滴乙醇進(jìn)行保護(hù)，防止脫碳氧化。目的:為消除機(jī)加工應(yīng)力，避免熱處理產(chǎn)生肉眼看不到的微裂紋。

b)預(yù)熱:采用RJJ-30井式爐，防止淬火時(shí)的急速加熱導(dǎo)致組織改變。

c)淬火加熱:采用RDM-100爐(鹽浴爐)進(jìn)行，使用前應(yīng)對(duì)爐況進(jìn)行校溫檢查，同時(shí)進(jìn)行脫氧，撈渣等處理

d)回火:在淬火后立刻進(jìn)行，采用RJJ-75井式爐，確保回火溫度及回火時(shí)間，出爐后工件必須散開風(fēng)冷，必須防止回火脆性。有條件的單位可采用氣體保護(hù)下的淬火加熱爐(N₂)或采用真空爐進(jìn)行熱處理，更能保證熱處理的效果及質(zhì)量。

4.3 過盈量選擇

合適的過盈量選擇比較重要。因?yàn)檫^盈量過小，會(huì)導(dǎo)致固齒力不足，釬頭受熱時(shí)壓力減小，易造成合金柱脫落而導(dǎo)致釬頭失效。而過盈量過大，其基體孔壁壓力過高，會(huì)引起釬頭體的疲勞裂痕，同樣造成釬頭早期損壞。

Q45NiCr₁Mo₁VA 鋼過盈量選擇要根據(jù)所用的合金柱齒和所鉆齒孔尺寸來(lái)具體確定。一般情況下，選擇不大于0.05mm較為合適。

5 實(shí)際鑿巖效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證Q45NiCr₁Mo₁VA鋼作為殼體制作的球齒釬頭的使用效果，我們從2009年開始即在國(guó)內(nèi)許多有名的工程、礦山作了實(shí)際鑿巖實(shí)驗(yàn)，效果明顯，達(dá)到或超過國(guó)內(nèi)領(lǐng)先鑿巖釬具企業(yè)生產(chǎn)的同類產(chǎn)品水平，接近或達(dá)到國(guó)外先進(jìn)釬具生產(chǎn)企業(yè)同類產(chǎn)品的2/3壽命，獲得了用戶的一致認(rèn)可，不少用戶已開始批量訂貨。主要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

6 結(jié)論

使用Q45NiCr₁Mo₁VA鋼作為釬頭殼體制作熱鑲齒固齒法螺紋連接球齒釬頭，選擇合適的合金成份配置，選擇恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚕湫阅堋①|(zhì)量可以達(dá)到國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品最高水平，接近或超過國(guó)外先進(jìn)水平的1/2。從性價(jià)比、交貨期等因素考慮，認(rèn)為采用該鋼種制造的鑿巖鉆車用球齒釬頭產(chǎn)品可以逐步取代進(jìn)口產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)液壓鉆車釬具國(guó)產(chǎn)化目標(biāo)。

作者：龍潛