鑿巖釬具的失效分析及合理使用

如何合理確定釬頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)、選用優(yōu)質(zhì)材料和先進(jìn)制造工藝等方面，探討提高鑿巖釬具使用壽命的措施。

1 鑿巖釬具失效分析

我國的鑿巖釬具已經(jīng)形成系列產(chǎn)品并各具特色，如柱齒釬頭、硬質(zhì)合金整體釬子、極堅(jiān)韌巖石用釬頭、K610 硬質(zhì)合金等，其質(zhì)量和使用壽命不斷提高，但其性能不穩(wěn)定。釬具早期失效的主要原因應(yīng)從釬頭和釬桿進(jìn)行分析。

釬頭的破壞形式主要有碎片、碎齒、脫齒、掉齒、斷裂等非正常磨損和正常磨損。一字形釬頭的主要失效原因是釬頭的刃翼太薄，不耐磨，徑向磨損快，幾何形狀穩(wěn)定性差，刃翼鋼體對合金片夾持力不足，促使脫片，炮眼不圓，回轉(zhuǎn)阻力不大，加劇釬刃磨損。球齒釬頭主要損壞形式為脫邊齒、脫碎齒、裂褲、摘帽和斷腰等。中國地質(zhì)大學(xué)通過用7655 風(fēng)動鑿巖機(jī)對堅(jiān)硬花崗巖鉆孔時，對國產(chǎn)中?40、?42柱齒釬頭進(jìn)行失效統(tǒng)計(jì)表明:脫邊齒占22.7%，碎邊齒占35.4%，脫碎齒占 26.4%。現(xiàn)場試驗(yàn)表明:脫邊齒、碎邊齒是極其主要的損壞型式。這是由于邊齒受偏心應(yīng)力，分布極不均勻，加上對齒不同徑向壓力作用，使邊齒受力狀況惡劣造成斷齒。隨著柱齒釬頭受沖擊的增加，齒孔壁的塑性變形量不斷增大，使齒孔出現(xiàn)喇叭口，導(dǎo)致固齒力下降量形在脫齒。另外，由于齒孔間過盈量太小，釬頭體硬度偏低也加劇了脫齒。高硬度釬頭體對硬質(zhì)合金齒的影響比中、低釬頭體硬度高得多。此外，與焊接、焊劑性能和焊接操作以及使用方法等因素有關(guān)。釬頭鋼體的斷裂 80%以上發(fā)生在釬梢端面與釬褲底部分界處，柱齒釬頭部分?jǐn)嗔蜒刂X孔底部界等發(fā)生。并且常因鋼種選擇不當(dāng)，幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，制造工藝選擇不合適，使用方法不當(dāng)?shù)纫蛩赜绊懚觿嗔选?/span>

釬桿在工作時承受著以沖擊應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、腐蝕應(yīng)力為主的綜合交變應(yīng)力。因此要求釬桿具有較高的疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性、抗腐蝕能力以及較低的缺口敏感度和裂紋擴(kuò)展速率。釬桿破壞形式有小釬桿柄端硬度不足造成堆頂:硬度過高造成炸頂；接桿螺紋磨損，以及產(chǎn)生的疲勞破斷和脆性破斷。釬桿破斷是主要失效形式。疲勞斷裂在多次反復(fù)應(yīng)力作用下，由于損傷積累產(chǎn)生裂紋，通常起源于材料的薄弱部位，諸如材料內(nèi)部非金屬夾雜物、氣泡、白點(diǎn)、傷痕、脫碳、腐蝕裂紋:材質(zhì)和熱處理不良原因，如滲碳纖桿芯部過硬、淬火不良尾柄端產(chǎn)生裂紋和淬裂，由于設(shè)計(jì)原因和尾柄部嵌合不良形成裂紋和破損；使用不當(dāng)如錘擊打痕、結(jié)合部潤滑不良以及釬鋼腐蝕等引起的裂紋與破斷等。礦山鑿巖過程中有少部分釬桿破斷的斷口無疲勞痕跡，一般呈光亮的晶面狀態(tài)，稱為脆性破斷。主要由于釬桿某處存在缺陷，如夾雜、壓痕、錘傷或斷面變化過劇及鍛造時產(chǎn)生的喇叭口、熱處理不當(dāng)?shù)纫蛩匦纬赦F桿強(qiáng)度低、塑性差或者產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，使裂紋發(fā)展極為迅速，引起釬桿早期脆性斷裂。

2 正確合理的使用鑿巖釬具

2.1提高設(shè)計(jì)質(zhì)量

確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，不斷發(fā)展新品種是提高釬具壽命的前提。柱齒釬頭的柱齒齒冠形狀多半為半球形，鑿巖速度高，壓入巖石時，齒面承受壓應(yīng)力比較堅(jiān)固耐用。齒徑的大小應(yīng)考慮足夠的抗拉斷應(yīng)力、固齒強(qiáng)度。從失效分析，邊齒受力狀況惡劣，脫邊齒、碎邊齒是釬頭損壞的主要形式?？刹扇∫韵麓胧p少邊齒損壞，延長柱齒釬頭的使用壽命:①強(qiáng)化邊齒，正確選擇齒形、齒徑和露齒高度；②適當(dāng)減少邊齒傾角，有利于改善受力狀況，提高邊齒抗沖擊能力；③正確選擇焊縫間隙和固齒過盈量，以增加柱齒的固緊力；④邊齒選擇韌性高的硬質(zhì)合金，并經(jīng)過熱處理，防止碎齒卓有成效。強(qiáng)化釬頭鋼體，增加鋼體抗磨蝕性能；⑤合理布齒，盡可能增加邊齒齒數(shù)，完善排粉系統(tǒng)，保留正面水孔和大間隙三溝兩孔的排粉系統(tǒng)，排粉效率高，減少巖粉的重復(fù)破碎，降低能耗，延長釬頭使用壽命。

改進(jìn)釬桿結(jié)構(gòu)形式，如美國英格索蘭——蘭德公司提出全螺紋釬桿，滾壓成形法加工，表面硬化處理，提高韌性和耐磨性，螺旋角大，自鎖性好，拆裝方便。提高釬具外觀質(zhì)量和包裝質(zhì)量，設(shè)計(jì)好外觀形狀和包裝結(jié)構(gòu)可有效的保護(hù)釬具，美化釬具，延長釬具的使用壽命。

2.2 選用優(yōu)質(zhì)材料

釬具材料選擇要考慮堅(jiān)韌、耐磨，具有良好的剛性和耐磨性，足夠高的疲勞強(qiáng)度，較低的疲勞缺口敏感度，較高的夾持合金片的能力，一定的抗腐蝕性能:①24SiMnNi₂CrMo鋼是仿瑞典FF710鋼，常規(guī)機(jī)械性能、斷裂性能綜合評價最好的新鋼種；②40SiMnMoV 鋼制造的釬桿平均累計(jì)進(jìn)尺1225.4m，接近國外水平；③55SiMnMo制造小釬桿壽命已接近瑞典95CrMo小釬桿250m水平；④35SiMnMoV 制造釬桿平均壽命可達(dá)300m/根。上述鋼材經(jīng)淬火、回火、退火、正火等熱處理，形成貝氏體鋼，有較高疲勞強(qiáng)度的韌性。對感應(yīng)釬焊固片、固齒中小釬頭選用40MnMoV 為釬頭體材料；對于熱嵌固齒釬頭用45NiCrMoV 鋼為好。硬質(zhì)合金材料的選擇必須與巖石機(jī)械性能和鑿巖機(jī)類型相適應(yīng)。

2.3 應(yīng)采用先進(jìn)的制造工藝技術(shù)

采用切削法生產(chǎn)釬頭，實(shí)現(xiàn)全機(jī)械加工取代傳統(tǒng)老式鍛造成型，是釬具制造技術(shù)的新發(fā)展。刀片釬頭的釬焊必須采用良好的加熱設(shè)備如超音頻，中頻電爐可用整體感應(yīng)加熱，防止工件氧化、脫碳，溫度易于控制，加熱時間短，便于釬焊操作，嚴(yán)格控制風(fēng)冷或空冷，防止產(chǎn)生焊接應(yīng)力。適當(dāng)加大焊縫，分級選配磨片，采用汽油等有機(jī)溶劑對釬頭體鋼和硬質(zhì)合金片的焊接表面認(rèn)真清洗，以提高釬焊質(zhì)量。

柱齒釬頭固齒工藝對于大中直徑宜推廣熱嵌固齒工藝，它具有對釬頭體和硬質(zhì)合金性能影響小，齒、孔表面不易破壞質(zhì)量穩(wěn)定，齒與孔裝配后結(jié)合面呈兩向應(yīng)力狀態(tài)固齒質(zhì)量好，減少脫碎齒，可以實(shí)現(xiàn)鋼體最佳熱處理規(guī)范，充分發(fā)揮鋼材使用潛力，無焊液流淌外觀質(zhì)量好。

冷壓齒要求孔加工精度高，常采用高精度加工設(shè)備，工裝設(shè)計(jì)采用尺寸鏈最短，增強(qiáng)接觸剛度，提高齒孔表面質(zhì)量，在刀具設(shè)計(jì)上選用增大切削變形幾何參數(shù)和擠壓強(qiáng)化加工表面刀具結(jié)構(gòu)，用強(qiáng)力切削使孔壁表面形成殘余壓縮應(yīng)力及冷作硬化的變質(zhì)層。

提高釬桿使用壽命，要制造精確的加工制釬模具，防止鍛造產(chǎn)生喇叭口、飛邊、裂紋。提高中空鋼軋制質(zhì)量，消除或減少凹痕、結(jié)疤、折疊、脫碳等各種表面缺陷。

3 結(jié)束語

本文通過對鑿巖釬具的失效分析及對釬頭各種結(jié)構(gòu)形式及相應(yīng)破壞形式的研究和觀察，論證鑿巖釬具的失效形式和原因，并從如何確定合理結(jié)構(gòu)參數(shù)、選用優(yōu)質(zhì)材料以及如何采用先進(jìn)制造工藝技術(shù)等方面闡述了提高鑿巖釬具壽命的措施。但釬具使用壽命由其本身固有質(zhì)量和科學(xué)的使用所決定，為此還應(yīng)從以下幾方面注意:①釬頭拆卸時防止用手錘打，利用卸釬器有利于提高釬具壽命；②釬頭修磨有利于減少表面裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，提高鑿巖速度；③正確操作和使用如開孔時要緩慢推進(jìn)，待釬頭進(jìn)入巖體再全速工作，接桿時應(yīng)使釬桿套管與釬尾保持同心，螺紋擰到位；卡釬時不要砸打釬具，而采用關(guān)小進(jìn)氣閥門、開大給水閥門慢速推進(jìn)，不斷往返動作使孔壁光滑、釬具進(jìn)退自如等以防止硬合金片碎裂、斷釬尾、釬桿斷以及消除卡釬等事故的發(fā)生。

總之，在各種條件下，采用配套的鑿巖機(jī)、專用釬具及相應(yīng)機(jī)具，定能發(fā)揮潛在效能。