0 引言

釬鋼釬具是傳統鎢工業的重要應用領域。從資源節約的角度看，主要由釬具設計、制造、使用方法、重磨再用，以及殘留合金片齒的回收利用幾個方面構成。經過60多年的發展，中國在鑿巖釬具制造方面已接近或達到了國際先進水平叫，形成了錐體連接釬頭合理的連接、拆卸、修磨規范和方法口；提出了依托物理冶金和粘結相強化技術生產N系列鑿巖硬質合金的“一步法”工藝回；在廢舊硬質合金片齒的高效回收利用技術等方面己具有方向性創新的超越勢頭。基于以上幾個方面的創新發展，中國鑿巖釬具在充分滿足國內采掘工業部門需求的同時，在“一帶一路”和全球高鐵網的廣闊市場中展現出了強大的競爭優勢。

1 釬鋼釬具產業發展現狀                                         

1.1錐體連接釬頭

錐體連接系列釬頭主要用于配合支腿式氣動鑿巖機,在各種巖礦石中鉆鑿直徑50mm以內的小直徑炮眼。常用的品種有一字、三刃、十字、球齒與復合形釬頭等五大系列。

直徑38~42mm的馬蹄一字形釬頭，在f/-12~14堅硬花崗巖中，全次壽命可達100m以上，合金片中部殘留刃高可達8mm以下，并因制造和修磨簡單方便，不受巖性限制，在全國獲得了普及。

直徑38~42mm十字(實芯)形釬頭在相同鑿巖條件下，全磨次壽命可達到馬蹄一字形釬頭的兩倍左右，鉆速和合金有效利用率也比一字形釬頭高，雖然在國際市場受到歡迎，但國內未能普遍推廣，主要原因是缺乏先進的十字形釬頭高效磨釬機。

直徑38~42mm三刃(實芯)形釬頭，相同鑿巖條件的全磨次壽命可達到150m以上，與十字形針頭接近。其優于十字形釬頭的原因是，根據單片齒抗沖擊能力的“體積效應”原理，相同直徑下三刃形釬頭的合金片厚度，比十字形釬頭的調節空間大，可以鉆鑿極堅韌巖石而不受巖性限制。同時它的壽命鉆速、合金有效利用率等參數均比一字形釬頭優越。所以，它是小直徑(38~42mm)釬頭中，對巖性機型具有普適性、最為成熟、為實現高效低耗鑿巖而取代一字形釬頭的最佳品種。在此直徑范圍內，它比十字形釬頭節省合金;比球齒釬頭壽命長；比復合釬頭工藝簡單。由于與十字形釬頭同樣的原因，三刃形釬頭迄今也未能在國內市場獲得普遍推廣。

直徑38~42mm四、五、六齒釬焊固齒球齒釬頭，由于其較小傾角的邊齒固齒牢固，且帶有一定的自銳性，在最常見的一般硬脆巖石中，其不磨壽命雖比三刃、十字、復合形釬頭的全磨次壽命短，但可以超過一字形釬頭，且其最大的優點是不需要修，對鑿巖工來說，最容易接受。其殘留合金柱齒可以方便地回收利用也是其一大優點。所以，該系列釬頭在中國小直徑錐體連接釬頭中所占的市場份額正日益擴大。

直徑40-3P1C、直徑40-4P1C、直徑42-3P1C、直徑42-4P1C、直徑43-4P1C、直徑43-4P2C復合系列釬頭，兼有刃片與球齒釬頭的優點,刃受力狀態好,破巖效率高,重磨周期長，所鉆炮孔圓直，幾何形狀穩定，合金有效利用率高，殘留刃齒可全部回收利用，其使用壽命和性價比指標比同直徑一字釬頭和球齒釬頭有明顯優勢，現已批量進入市場，正逐步為眾多采掘部門所認可。當前急需解決的問題是邊刃高效修磨機具的配套，這也是三刃、十字形釬頭推廣共同面臨的要務。

1.2 硬質合金整體釬

硬質合金整體釬，是在二戰以后，首先從瑞典、德國、蘇聯、美國、日本、英國、法國、加拿大、愛爾蘭，芬蘭等工業發達國家逐步發展起來的。1982年，張國櫸采用“沉底式感應釬焊固齒工藝”在小直徑球齒釬頭領域取得成功，發明了“球齒形系列小直徑硬質合金整體釬子”。我國在1984年首次批量投放市場，廣泛用于內燃、電動、氣動、液壓鑿巖機沖擊式鑿巖。

硬質合金整體釬頭部直徑23~51mm；六角中空鋼桿體規格H19、H22、H25、H28、H32；頭部形狀有一字、三刃、十字、球齒、復合形五大系列；釬柄形狀有帶肩六角釬柄和波形螺紋釬柄兩種；釬柄以下有效長度400~9600mm，對巖石性質和穿孔方向不受限制四。該系列產品體現了我國現代小直徑硬質合金釬具技術的最新成就，在國內外采掘工業部門擁有巨大的市場潛力。從1987年“成探”牌整體釬出口哥倫比亞開始，中國相關釬具企業生產的硬質合金整體釬，也幾乎全部用于出口，隨著我國鑿巖硬質合金加壓燒結工藝的普及，以及高潔凈合金釬鋼冶軋與制釬工藝的完善，近年來整體釬出口量已呈逐年增長之勢。

圖1是我國首批生產的一字、三刃、十字和球齒形整體釬。直徑為38mm四齒、40mm五齒、42mm六齒球齒形整體釬，在普氏堅固性系數f≤15，σ_D≤200MPa的硬脆巖石中替換錐體連接釬頭鑿巖，可以不修磨一直工作到頭部直徑報廢(通常這時六角桿體也已磨圓接近報廢)，十分有利于實現高效低耗鑿巖。

硬質合金整體釬以優質釬頭和優質釬桿及其適應各類小直徑鑿巖條件的匹配壽命為前提，包容現代釬具工業各個方面的技術進步和完善的專業化生產工藝。因此，顯示出了強大生命力。它的釬頭部和桿體壽命，可以根據生產需要相互調節。在許多情況下，它擁有比一般小直徑活釬頭和錐體連接釬桿更高的綜合效益。

通過幾何結構參數、材質、制造工藝和使用技術四個方面的補償調節，能基本匹配整體釬頭部與桿體壽命。但事實上，即使桿體與頭部壽命不完全匹配，也并不影響整體釬在綜合技術、經濟效益方面相對于同類釬桿與活釬頭的明顯優勢。因為,整體釬的中后期首次斷裂，90%以上發生在釬肩附近，釬頭部卻始終保持完好。這和目前礦山普遍使用的成品釬桿一樣，可重鍛釬柄后繼續使用。極少數頭部損壞的整體釬，進行切頭、車削后作釬桿使用也十分方便。值得注意的是,質量合格的整體釬，首次斷裂之前，其鉆眼進尺數就已超過了同類釬桿與活釬頭。經驗表明:成品釬桿與小直徑釬頭，由于斷梢、斷腰、裂褲、脹褲、埋釬等故障,造成釬桿、釬頭一次性損壞或丟失的幾率，遠遠高于整體釬。工業統計結果:一支整體釬的鉆眼總長，大約是同類成品釬桿和活釬頭鉆眼總長的2倍左右。而整體釬修復的工作量,要比釬桿與活釬頭修復的工作量少得多四。

因此，在錐體連接釬頭、錐體連接釬桿與硬質合金整體釬并存時期，優質硬質合金整體釬，將會成為小直徑鑿巖釬具的主要發展方向。硬質合金整體釬的普及程度，將會成為中國小直徑鑿巖釬具和采掘工業現代化的重要標志之一。

1.3 鉆車用中大直徑螺紋連接釬頭

中國現代化鉆車鑿巖釬頭、釬桿的研發始于1978年。1980年，以原鐵道部引進西方“新奧法施工技術”和瑞典 Atas Copco公司PROMEC TH286型四臂全液壓鑿巖鉆車(配套Cop1038HD液壓鑿巖機)，開鑿衡廣復線長達14.7km的大瑤山雙線長大隧道為契機，經由原鐵道部隧道局科研所與武漢地質學院掘進工程研究所聯合攻關，實現與該鉆車配套的直徑48mm十字、48mm七齒、57mm九齒-R32波形螺紋連接釬頭和R32-H32x5525-R38形螺紋連接釬桿國產化。國產化裝備配合瑞典Atas Copco公司PROMECTH286型四臂全液壓鑿巖鉆車Cop1038HD型鑿巖機鑿巖，壽命與鉆速指標均達到或超過了瑞典同類產品水平，但價格僅為進口產品的1/4。由此，開創了我國全液壓鑿巖鉆車用釬頭國產化的先河回。

研究發現:在中大直徑釬頭領域，直徑50~64mm的十字形釬頭的全磨次壽命，要比同直徑球齒釬頭的不磨壽命高出一倍以上；直徑64~102mm的X形釬頭全磨次壽命，也比同直徑球齒釬頭的不磨壽命高出很多，而且當巖石越硬，磨蝕性越大，這種差別也體現得更明顯。當巖石單軸抗壓強度σ_D≥300MPa，例如極堅韌的鐵燧石或含鐵石英巖，半球齒冠球齒釬頭的破巖效率，更是趕不上刃片狀釬頭的硬質合金釬刃。

1976年3月，瑞典Secoroc公司也對其直徑76mmX形和直徑76mm半球十齒 T38螺紋釬頭，在露天花崗巖采石場作過對比鑿巖試驗。Secoroc公司認為“X形釬頭可重磨15~20次，球齒釬頭只能重磨2~3次，球齒釬頭比X形釬頭重周期長，在一般硬脆巖石中排除的巖粉粗一點，鉆速要稍快一點”。Secoroc公司這次試鉆還表明:(1)熱嵌固齒球齒釬頭比同直徑X形釬頭價格高；(2)X形釬頭保徑能力比球齒釬頭好；(3)球齒釬頭合金有效利用率比X形釬頭低很多，這是過盈固齒難以克服的先天性缺陷；(4)X形釬頭還可以根據巖石硬度和蝕性變化，通過調整釬刃高度來延長壽命；(5)十字形釬頭最大直徑限制為直徑64mm，X形釬頭最大直徑限制到直徑102mm，但是，復合形釬頭卻正好可以解決這一難題；(6)所有球齒釬頭都是邊齒壽命短，中齒壽命長，這也是球齒釬頭難以克服的先天性缺陷之一；(7)事實上，過盈固齒球齒釬頭還有一個十分難攻克又不太顯眼的缺點，即不但硬質合金柱齒有效利用率很低，而且很難回收利用。這已經并且仍然繼續造成國家有限鎢、鈷資源的嚴重浪費。

1995年9月，張漢斌設計并生產出了首批直徑64mm、70mm中大直徑復合形釬頭，后來發展成了一個新的復合釬具系列，先后納入了《鑿巖用硬質合金釬頭》國家標準GB/T64802002和《鑿巖用硬質合金整體釬》國家標準GB/T26280-2010。錐體和螺紋連接中大直徑復合形釬頭的部分品種外貌如圖2所示。該系列釬頭充分發揮刃片狀釬頭和球內釬頭各自優勢，又破解了它們各自先天性缺陷。

50年來的實踐證明，直徑50mm以內感應釬焊固片固齒的小直徑一字、三刃、十字、球齒、復合形釬頭，在其各自的優勢直徑和鑿巖條件范圍，都可以比較成熟而圓滿地實現高效低耗鑿巖的需求；在中大直徑球齒和復合形釬頭領域，雖然已有許多成功應用的范例，但在釬頭幾何結構參數、材質、制造工藝方面，還有大量需要補充、改進、優化、完善的工作。尤其在中大直徑螺紋連接十字、X形、球齒、復合形釬頭的使用技術方法及其修磨、修復配套設備與工具方面，與國際名牌釬具公司的差距很大。

2 資源節約

2.1 釬頭高效重磨再用

從理論上講，作為切削鋼鐵和鉆鑿巖石最為有效的硬質合金切削刃具與鑿巖工具，其最大優勢就在于其刃、齒修磨后可以重復使用。而球齒釬頭，特別是西方發明的過盈固齒球齒釬頭，邊齒始終是一個薄弱環節，不適用于極堅韌礦巖，合金有效利用率很低，殘留柱齒難于回收利用，事實上已造成了鎢(W)、鈷(Co)資源的嚴重浪費。通常情況下，刃片和復合形釬(鉆)頭的全次壽命，是同直徑球齒釬頭不磨壽命的 2~3倍。因此，我國中大直徑十字、X形、球齒、復合形釬頭要想獲得國內外采掘市場的普遍認可，當前面臨的最大難題，就是盡速集中力量通過技術引進和自主創新，徹底解決小直徑錐體連接三刃、十字、復合形釬頭和整體釬以及中大直徑十字、X形、復合形釬頭高效重磨再用問題，充分發揮其應有的工作潛力。為此目的，特提供三刃、十字、X形和復合形釬頭邊刃的修磨參數，見表1。

國外的球齒釬頭，最早是借鑒大直徑牙輪鉆頭和潛孔鉆頭的冷壓固齒工藝，后改進為熱嵌固齒工藝，均屬于“過盈固齒”工藝。由于固齒工藝的限制，法國、英國、美國、瑞典等球齒釬頭原創國家，在錐體連接小直徑球齒釬頭的研發方面，一直起步很晚，長期成為空白。近30年來，隨著中大直徑球齒釬頭廣泛應用，為節約資源提高產品競爭力，國外名牌釬具企業開始重視中大直徑球齒釬頭的重磨利用問題，但至今未能解決好這個問題。

瑞典沒有復合形系列釬頭，但可參照其十字、X形釬頭修磨機，按照表1提供的修磨參數，選用不同錐角(θ值)的成型砂輪，便可自主研發出一臺或多臺多功能的修磨機，可同時修磨直徑41~127mm三刃、十字、X形和多邊刃復合形釬頭。

中國從20世紀90年代中期開始，也關注著中大直徑復合形釬頭的改進和邊刃重磨問題。我們相信，復合形釬頭用成型砂輪重磨邊刃要比用金剛石磨頭重磨球齒齒冠和鋼體，在技術上相對要容易，挖掘出的釬頭壽命更長，合金有效利用率也會更大。總之，中國現在中大直徑球齒釬頭與復合形釬頭，都急需解決其重磨機具的研發配套問題，這需要借鑒國外同行在重磨刃片狀和球齒系列釬頭方面所積累的先進經驗，并努力在自己的實踐中，以解決問題為目的，實現創新和超越。

圖3是國外公司生產的修磨球齒釬頭端面和側面鋼體的磨輪。圖4是國外某公司研發的各種鑿巖釬具修磨配套設備。

在確保釬頭質量，具備重磨條件的基礎上，下大力氣加強釬頭使用技術與修磨機具的研發，可以直接引進相關刃片和球齒釬頭修磨設備；也可根據本文提供的設計參數和參考資料，與砂輪生產廠和有關研究單位合作，盡快研發出一臺或多臺可以高效修磨一字、三刃、十字、X形、復合形和球齒形釬頭，以及一字、三刃、十字、球齒和復合形整體釬的磨釬機；充分關注與發揮三刃、十字、復合形系列釬頭，以及釬焊固齒球齒系列釬頭(可多次重磨,且重磨周期長)綜合效益高，殘留刃齒便于回收利用的優點。一旦把重磨機具問題解決好，優秀釬頭品種在實現高效低耗鑿巖方面，將具有強大的生命力。

2.2 殘留合金片齒的回收利用                 

中國年產鑿巖硬質合金約6000t，年耗大中小直徑釬頭、各類截齒等鑿巖釬具5000萬支以上。以中小直徑釬頭為例，由于使用技術相對落后，與之配套的重磨機具長期缺失，各種球齒釬頭，基本不修磨；各種刃片狀釬頭也只重磨2~3次，造成大量釬頭非正常報廢，殘留刃齒高度普遍達到10mm以上，刃片狀合金有效利用率不到30%，球齒釬頭合金有效利用率不足 15 %。

為了最大限度地節約寶貴的鎢(W)、鈷(Co)資源，確保硬質合金有效利用，促進中國采掘工業、釬鋼釬具工業和硬質合金產業的可持續發展，釬具生產企業應根據具體用戶的生產規模和實際需要，幫助用戶建立不同大小的釬具維修和硬質合金殘留片齒回收車間。采掘企業可以用回收來的廢合金片齒兌換釬頭成品:釬具生產廠可用回收來的廢合金片齒兌換新合金片齒，從而實現合金片齒的循環利用。

為解決好殘留硬質合金片齒的高效回收利用問題，鄧治洲等提出一種名為“一步法”的硬質合金生產新工藝。該方法包含有兩部分內容:(1)“一步法”生產硬質合金新工藝，見圖 5；(2)“一步法”硬質合金生產線(含耐高溫、防腐、真空制粉爐)。“一步法”生產硬質合金的新方法是以較純鈷(板、粒)、鎳(板、粒)為原料，通過物理冶金的方法，制備Co、Ni及含強化微量添加元素的合金粉末，與WC、(Ti·W)C粉末混合分散，通過分離法技術，即獲得深淺灰色質地松軟的硬質合金用混合料。該工藝可一次性完成Co-Ni粉、Co-Ni-Fe粉及多種強化(難于單獨添加)微量元素的添加粉末。對以鎳(Ni)代鈷(Co)，少鈷(Co)合金的生產提供了一種嶄新的途徑。所制備的硬質合金性能達到或超過了傳統的化學濕法工藝生產的同牌號硬質合金。該工藝也為解決硬質合金釬頭殘留刃齒的回收利用難題，創造了極為有利的條件。

3 結語

中國在鑿巖釬具幾何結構參數、材質、制造工藝、使用方法等方面,以及由此形成的鑿巖釬具質量、品種與性價比指標，已達到了國際先進水平。但在鑿巖釬具使用技術及其配套機具的研發方面相對滯后，這已成為我國釬鋼釬具工業進一步發展的短板。

為促進中國采掘工業、釬鋼釬具工業和硬質合金產業的可持續發展，提高資源利用率，釬具生產企業應努力成為技術創新的主體，進一步針對不同鑿巖條件(機型、巖性)，改進釬頭設計，確保釬頭質量，以壽命、鉆速、正常報廢率為考核指標，主動積極地向用戶推薦優秀的釬頭品種和介紹正確的使用方法。

釬具生產企業應在確保釬頭質量，具備重磨條件的基礎上，下大力氣加強釬頭使用技術與修機具的研發。充分關注與發揮三刃、十字、復合形系列釬頭以及釬焊固齒球齒系列釬頭綜合效益高，殘留刃齒便于回收利用的優點。只要把重磨機具問題解決好，這些優秀釬頭品種對于實現高效低耗鑿巖，具有頑強的生命力。

釬具生產企業加強售后服務的關鍵環節，是根據具體用戶的生產規模和實際需要，提供相應的釬具使用、修、修復的配套機具，幫助用戶建立不同大小的釬具維修和硬質合金殘留片齒回收車間，并提供鎢鈷資源回收利用的技術和實施辦法。

綜上，提高釬具的利用率能大大節約我國的鎢資源，能進一步確保發揚我國的鎢資源優勢，實現國家“振興鎢業”的宏偉目標，促進我國硬質合金和釬鋼釬具工業節約型生產體系的形成，建成世界一流的硬質合金鑿巖機具強國，為我國釬鋼釬具和采掘工業的可持續發展，為“建設全球高鐵網、共筑世界大同夢”的不朽事業，作出當代中國人義不容辭的新貢獻。