鑿巖釬具的失效分析及合理使用

如何合理確定釬頭的結構參數、選用優質材料和先進制造工藝等方面，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形成系列產品并各具特色，如柱齒釬頭、硬質合金整體釬子、極堅韌巖石用釬頭、K610 硬質合金等，其質量和使用壽命不斷提高，但其性能不穩定。釬具早期失效的主要原因應從釬頭和釬桿進行分析。

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。中國地質大學通過用7655 風動鑿巖機對堅硬花崗巖鉆孔時，對國產中?40、?42柱齒釬頭進行失效統計表明:脫邊齒占22.7%，碎邊齒占35.4%，脫碎齒占 26.4%。現場試驗表明: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，使齒孔出現喇叭口，導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。釬頭鋼體的斷裂 80%以上發生在釬梢端面與釬褲底部分界處，柱齒釬頭部分斷裂沿著齒孔底部界等發生。并且常因鋼種選擇不當，幾何結構參數設計不合理，制造工藝選擇不合適，使用方法不當等因素影響而加劇斷裂。

釬桿在工作時承受著以沖擊應力、彎曲應力、腐蝕應力為主的綜合交變應力。因此要求釬桿具有較高的疲勞強度、沖擊韌性、抗腐蝕能力以及較低的缺口敏感度和裂紋擴展速率。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應力作用下，由于損傷積累產生裂紋，通常起源于材料的薄弱部位，諸如材料內部非金屬夾雜物、氣泡、白點、傷痕、脫碳、腐蝕裂紋:材質和熱處理不良原因，如滲碳纖桿芯部過硬、淬火不良尾柄端產生裂紋和淬裂，由于設計原因和尾柄部嵌合不良形成裂紋和破損；使用不當如錘擊打痕、結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，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生的喇叭口、熱處理不當等因素形成釬桿強度低、塑性差或者產生較大的應力集中，使裂紋發展極為迅速，引起釬桿早期脆性斷裂。

2 正確合理的使用鑿巖釬具

2.1提高設計質量

確定合理的結構參數，不斷發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，齒面承受壓應力比較堅固耐用。齒徑的大小應考慮足夠的抗拉斷應力、固齒強度。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。可采取以下措施減少邊齒損壞，延長柱齒釬頭的使用壽命:①強化邊齒，正確選擇齒形、齒徑和露齒高度；②適當減少邊齒傾角，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合金，并經過熱處理，防止碎齒卓有成效。強化釬頭鋼體，增加鋼體抗磨蝕性能；⑤合理布齒，盡可能增加邊齒齒數，完善排粉系統，保留正面水孔和大間隙三溝兩孔的排粉系統，排粉效率高，減少巖粉的重復破碎，降低能耗，延長釬頭使用壽命。

改進釬桿結構形式，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。提高釬具外觀質量和包裝質量，設計好外觀形狀和包裝結構可有效的保護釬具，美化釬具，延長釬具的使用壽命。

2.2 選用優質材料

釬具材料選擇要考慮堅韌、耐磨，具有良好的剛性和耐磨性，足夠高的疲勞強度，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，常規機械性能、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進尺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300m/根。上述鋼材經淬火、回火、退火、正火等熱處理，形成貝氏體鋼，有較高疲勞強度的韌性。對感應釬焊固片、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。硬質合金材料的選擇必須與巖石機械性能和鑿巖機類型相適應。

2.3 應采用先進的制造工藝技術

采用切削法生產釬頭，實現全機械加工取代傳統老式鍛造成型，是釬具制造技術的新發展。刀片釬頭的釬焊必須采用良好的加熱設備如超音頻，中頻電爐可用整體感應加熱，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，嚴格控制風冷或空冷，防止產生焊接應力。適當加大焊縫，分級選配磨片，采用汽油等有機溶劑對釬頭體鋼和硬質合金片的焊接表面認真清洗，以提高釬焊質量。

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合金性能影響小，齒、孔表面不易破壞質量穩定，齒與孔裝配后結合面呈兩向應力狀態固齒質量好，減少脫碎齒，可以實現鋼體最佳熱處理規范，充分發揮鋼材使用潛力，無焊液流淌外觀質量好。

冷壓齒要求孔加工精度高，常采用高精度加工設備，工裝設計采用尺寸鏈最短，增強接觸剛度，提高齒孔表面質量，在刀具設計上選用增大切削變形幾何參數和擠壓強化加工表面刀具結構，用強力切削使孔壁表面形成殘余壓縮應力及冷作硬化的變質層。

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

3 結束語

本文通過對鑿巖釬具的失效分析及對釬頭各種結構形式及相應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構參數、選用優質材料以及如何采用先進制造工藝技術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量和科學的使用所決定，為此還應從以下幾方面注意: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生和擴展，提高鑿巖速度；③正確操作和使用如開孔時要緩慢推進，待釬頭進入巖體再全速工作，接桿時應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，而采用關小進氣閥門、開大給水閥門慢速推進，不斷往返動作使孔壁光滑、釬具進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生。

總之，在各種條件下，采用配套的鑿巖機、專用釬具及相應機具，定能發揮潛在效能。