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球齒釬頭用鋼研究

隨著我國經濟建設的快速發展，礦業開采、能源建設、基礎工程施工、交通道路發展等建設工程領域對鑿巖釬具的需求不斷增長。

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。隨著我國經濟建設的快速發展，礦業開采、能源建設、基礎工程施工、交通道路發展等建設工程領域對鑿巖釬具的需求不斷增長。同時，由于工業化的快速發展和技術進步，鑿巖設備不斷進化和升級，大功率鑿巖設備不斷推出更新，加上人們成本意識日益提高，各行業對鑿巖釬具產品的種類、性能和質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，它的結構是由一根細長的中空鉆桿和一個鑲嵌有鑿巖硬質合金的鉆頭組成。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每分鐘2000~3000次左右的高頻沖擊，且每次沖擊功高達25J~500J，所以釬桿和釬頭常以應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。因此，鑿巖釬具是人類所有鋼鐵機具中受力條件最苛刻、使用壽命最短、技術含量很高、而基礎工業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，它是用鑿巖硬質合金鑲嵌在釬頭體上構成。根據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、高低風壓潛孔鉆頭)、片齒復合釬頭、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，而牙輪鉆頭主要用于鉆井勘探，本文暫不討論。

片狀釬頭是我國歷史最早、使用最廣、生產量最大的釬頭品種。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型釬頭主要用于堅韌中深孔。片狀釬頭由于結構及受力等因素，其破碎巖石效率較低，進尺較慢，合金用量大且較容易出現浪費現象。而且其因為結構和受力原因，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，否則易出現合金碎裂導致早期失效。除了大量低端市場及部份極堅韌礦石外，片狀釬頭逐步不能適應現代鑿巖的需要。現在，在很多中性及脆性巖石條件下，片狀釬頭正越來越多地被球齒釬頭代替。

球齒釬頭是用硬質合金柱齒鑲嵌在釬頭體上組成的。相對于片狀釬頭而言，球齒釬頭布齒自由，可根據鑿孔直徑和破巖負荷大小，合理確定邊、中齒數目和位置，其釬頭直徑不受限制。而且因其是多點破碎，破巖效率更高，既可有效地消除破巖盲區，又避免了巖屑的重復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力，而合金片是張應力，合金柱齒典型硬度更高)，其不磨壽命更長，重磨工作量小，這點在機械化鑿巖臺車和深孔采掘的作業條件下顯示了較高的價值。因為這樣的作業條件下，更換釬頭要花費很多時間，重復修磨間隔肯定越長越好，所以在現代鑿巖中，球齒釬頭正占據著越來越重要的位置，呈現出快速發展的趨勢。

球齒釬頭根據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，要求相對不高，生產工藝相對簡單，本文就不著重敘述。而螺紋連接球齒釬頭主要用于液壓鉆車等大型設備進行中深孔作業，一旦鑿巖過程中出現損壞影響很大，所以其要求的技術含量較高制造工藝相對比較復雜。目前國內高水平螺紋球齒釬頭生產廠家不多，且跟國外先進企業如瑞典山特維克、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、工程仍在使用進口釬頭產品，不僅每年要花掉一大筆外匯，而且進貨很不方便。所以，如何提高國內的螺紋球齒釬頭的生產工藝質量水平，是一個殛待解決的課題。下面我們從球齒釬頭的固齒工藝入手進行探討。

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生合金柱齒的移位和脫落導致失效。現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，根據釬頭結構形式在釬頭體上鉆出相應齒孔，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，對鉆孔精度和柱齒尺寸要求不高。其缺點是操作相對困難，易留有焊疤影響外觀，且易出現缺焊，焊接強度不高，釬頭壽命較低。多用于生產錐孔連接小直徑球齒釬頭，現在已逐步被淘汰。

冷固齒工藝目前被大多數企業采用，工藝要點是根據釬頭體用鋼的屈服極限，計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。其特點是工藝容易掌握，生產效率相對較高，但穩定性有所欠缺。把合金柱齒壓人齒孔時，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，易出現掉齒、斷齒等現象。現主要用在要求相對不高、或不進行重復修磨使用的螺紋球齒釬頭固齒上。

對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，根據鋼體與合金柱齒在相同的受熱條件下，其熱膨脹性出現的差別，選擇合適的過盈量，即可很輕松地將合金柱齒鑲入釬頭體齒孔，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單，而且因為固齒過程中合金柱齒及釬頭殼體的受力很小，基本上不會被損壞，所以其有更好的穩定性。目前國內球齒釬頭生產前列的釬具企業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，所以對釬頭體用鋼的要求也比較特殊。基本要求為:在熱處理狀態下材料具有較高的塑性、韌性和硬度；材料要有高的疲勞強度和耐磨性；材料要有較高的空冷硬性；且熱處理工藝簡單成本低廉等。如果采用熱鑲齒工藝，釬頭體用鋼還必須具備以下幾點:

a)在熱處理狀態下，硬度要達到40~50HRC的要求;

b)具有高強度的物理性能，保證高的固齒能力；

c)具有一定的高溫強度和熱穩定性，保證其使用時的固齒強度；

d)具有高的疲勞強度和耐磨性；

e)具有較高的線膨脹系數和回火穩定性；

f)容易軟化退火并具有好的尺寸穩定性和加工性(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

隨著采掘技術的不斷進步，鑿巖機沖擊功率的加大，釬頭用鋼的要求也越來越高。目前，國內外優質釬頭材料主要為Cr-Ni型優質鋼，如瑞典的24SiMnCrNi₂Mo(FF710)、英美的30Cr₂Ni₄Mo、前蘇聯的25Cr₂Ni₄Mo等。根據釬具材料的力學性能、耐磨性等要求，經過合金化設計，優化出一種名為Q45NiCr₁Mo₁VA，在這里作為熱鑲齒工藝釬頭體用鋼進行重點推薦。

3.1 Q45NiCr₁MO₁VA 鋼的化學成份

Q45NiCr₁Mo₁VA 鋼的化學成分如表1所示。

3.2 主要合金元素在鋼中的作用及含量選擇

碳:主要影響鋼的強度和硬度。碳的強化主要是通過固溶強化、降低相變點細化晶粒、相變強化來實現。碳量過高，會降低鋼的韌性和焊接性能。碳具有極強的固溶強化作用，強化系數為4410MP_a/W₁%。鋼中含碳量的增加雖然可以提高零件的強度和耐磨性，但卻損害了鋼的塑韌性和工藝性，所以設計鋼種碳含量時，要根據不同的條件來確定含碳量，釬頭體用鋼需要較高的強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:硅一般以固溶態的形式存在于鐵素體或奧氏體中，固溶強化作用較強，強化系數為77MP_a/W₁%，可以提高鋼的強度和耐磨性。硅是縮小奧氏體相區的元素，但卻增加過冷奧氏體的穩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，強烈阻礙滲碳體的析出，提高鋼的抗回火穩定性。硅對鋼的強韌性的影響極為復雜，隨著硅含量的增加，在一定的成分范圍內，不僅提高鋼的強度而且提高鋼的韌性，同時還降低韌性——脆性轉變溫度。硅對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,強化系數為24.5MP_a/W₁%。錳的強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，使晶粒細化，達到強化的目的。錳是擴大奧氏體區元素，提高過冷奧氏體的穩定性及殘余奧氏體量，有利于鋼的韌性的提高，一般鋼的設計中都加人較高含量的錳。我們選擇其為0.60%~0.90%

鉬:鉬在鋼中具有較強的固溶強化作用，強化系數為80.4MP_a/W₁%。在含有導致回火脆性元素(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，增加鐵的自擴散激活能，提高鋼的回復和再結晶溫度。鉬增加過冷奧氏體的穩定性，使C曲線右移，但鉬推遲高溫F-P轉變的作用遠大于對貝氏體轉變的推遲作用，從而使珠光體和貝氏體轉變曲線分離，并使后者相對突出，大大提高貝氏體的淬透性。但由于鉬在世界范圍內含量較少，是一種戰略資源，應盡量少用。我們選擇其為0.90%~1.10%。

鉻:鉻在鋼中能有效的減緩奧氏體的分解速度,提高鋼的淬透性、滲碳性能及回火穩定性，在低碳鋼中，鉻和鉬有相似的作用，但不如鉬強烈。鉻推遲F-P轉變的作用明顯大于推遲貝氏體轉變的作用，同時使F-P轉變曲線與貝氏體轉變同線分離。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，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，但由于其價格昂貴，在鋼的設計中應盡量減少其使用量。我們選擇的含量是0.40%~0.70%。

3.3 綜合性能

Q45NiCr₁Mo₁VA 鋼經過上述合金化設計，成為Cr-Mo-V系統的低合金超高強度鋼(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，提高了回火穩定性，降低了鋼的回火脆性。在采用高溫回火時，可以使其得到很好的強韌性配合，在基本相同的屈服強度水平下，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。經實驗證明，其截面在25mm以下的部件，在靜止空氣中冷卻即可淬硬。

這種高溫回火的調質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下交貨硬260HB~270HB。

該鋼種熱膨脹系數高，在室溫下被加熱至500℃~525℃時熱膨脹系數為12x10^-6/℃，相當于10mm大的孔徑可增大約0.06mm。而硬質合金柱齒在相同的溫度下熱膨脹系數僅為其一半，這時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調節，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生變化。用這種鋼制造鑿巖用釬頭殼體，具有較強的二次硬化效應，在600℃溫度下的中溫回火，回火硬度在HRC47范圍內，具有相當高的強度和韌性，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

坯料準備一機加工成形(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。

坯料準備可以用棒料，也可用鍛坯，坯料準備時必須保證其退火硬度適合機加工要求，機加工中最重要的是必須保證螺紋、齒孔等關鍵部位的光潔度，一旦出現刀痕，將在熱處理過程中被放大形成疲勞源導致釬頭早期失效。齒孔精加工可以在熱處理后采用硬質合金鉆頭在五座標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的鉸削余量，保證鉸孔時的光潔度同時鉸孔不會太困難。

4.2 熱處理工藝研究

鋼種要達到預期的性能，熱處理是最重要的一環。不僅要達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，有足夠的韌性和強度，同時降低回火脆性。經過多種熱處理工藝試驗，并經過實驗室力學性能分析，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)穩定化:采用 RJJ-75井式爐，滴乙醇進行保護，防止脫碳氧化。目的:為消除機加工應力，避免熱處理產生肉眼看不到的微裂紋。

b)預熱:采用RJJ-30井式爐，防止淬火時的急速加熱導致組織改變。

c)淬火加熱:采用RDM-100爐(鹽浴爐)進行，使用前應對爐況進行校溫檢查，同時進行脫氧，撈渣等處理

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

4.3 過盈量選擇

合適的過盈量選擇比較重要。因為過盈量過小，會導致固齒力不足，釬頭受熱時壓力減小，易造成合金柱脫落而導致釬頭失效。而過盈量過大，其基體孔壁壓力過高，會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所用的合金柱齒和所鉆齒孔尺寸來具體確定。一般情況下，選擇不大于0.05mm較為合適。

5 實際鑿巖效果驗證

為驗證Q45NiCr₁Mo₁VA鋼作為殼體制作的球齒釬頭的使用效果，我們從2009年開始即在國內許多有名的工程、礦山作了實際鑿巖實驗，效果明顯，達到或超過國內領先鑿巖釬具企業生產的同類產品水平，接近或達到國外先進釬具生產企業同類產品的2/3壽命，獲得了用戶的一致認可，不少用戶已開始批量訂貨。主要實驗數據如表2所示。

6 結論

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，選擇恰當的熱處理工藝，其性能、質量可以達到國內同類產品最高水平，接近或超過國外先進水平的1/2。從性價比、交貨期等因素考慮，認為采用該鋼種制造的鑿巖鉆車用球齒釬頭產品可以逐步取代進口產品，從而實現液壓鉆車釬具國產化目標。

作者：龍潛