礦用牙輪鉆頭軸承系統熱處理強化

汪景奎

摘要：和國外相比我國當下礦用牙輪鉆頭使用時限與其差距較為明顯。加之由于牙輪鉆頭實際工作特點，促使牙輪鉆頭軸承系統極易受到損害，而最終導致鉆頭廢棄。本文結合有關實踐經驗，對于礦用牙輪鉆頭軸承系統，進行熱處理強化的工藝及操作要點進行說明，希望我國礦用牙輪鉆頭使用時限得以延長。

關鍵詞：牙輪鉆頭；軸承；熱處理

前言

目前，我國大型野外礦山爆破前，需進行鑿孔操作而礦用牙輪鉆頭作為主要施工工具顯得十分重要，但由于野外自然環境較差，因此對于礦用牙輪鉆頭的設計及制造相關標準及要求極高。因此，如何對礦用牙輪鉆頭軸承系統進行強化，是進行礦用牙輪鉆頭設計時的工作重點。

一、造成鉆頭損壞的原因

造成鉆頭損壞的原因有很多，其主要原因如下：首先是使用條件及地層巖石性質，其次是鉆頭自身結構設計及類型，最后也是最為關鍵的原因是材料及冷熱加工工藝。

二、主要熱處理強化施工工藝

1.滲碳淬火工藝

通常牙爪制作材料為低合金鋼，所以要采取多種化學熱處理方式來對外表硬度進行提升，其中普遍使用的方法就是滲碳?，F下，國內外鉆頭生產廠家多數都采取此種辦法，由于工藝形式較多，多數均采取氣體滲碳，例如，美國里德公司所使用的特定鋼套將內部密實固態滲碳劑，在軸頸位置進行套用，于可控氣氛爐中進行滲碳，結果良好[1]。為使滲碳層可以達到理想效果，因此對于表明滲碳層厚度、碳濃度及金相組織都有極高的要求，工作面在去除淬火前或是淬火后的細加工剩余量，其碳濃度為0.8%—0.9%較為合適，濃度太低或太高對于淬火后的硬化組織部分都會產生不同程度的影響。硬化層內部的奧氏體剩余數量及分布情況和碳化物含量多少取決于碳濃度的含量，若碳濃度適宜，則殘留奧氏體數量較小，碳化物的分布情況致密且均勻，對于淬硬層的抗磨性及多沖壓縮接觸疲勞強度有顯著提升作用，碳濃度過大會使奧氏體及片狀、網狀碳化物殘余量增多，也是導致初期片狀脫落和麻點形成的主要因素。牙爪大跑道壽命受到滲碳層深度的影響，研究表明，對于硬巖或軟巖進行鉆鑿時，滲碳層深度在2.0—2.4毫米時，鉆頭具備較長的使用時限，進行滲碳層深度確定時，要對淬硬層強度分布線進行注意，確保其高于由載荷引發的應力分布線。

2.碳氮共滲淬火工藝

碳氮共滲可以生成碳氮化合物，碳氮化合物可對工件外部形成一定的壓應力，摩擦系數極小，碳氮共滲淬火強化和滲碳淬火強化相比，接觸疲勞強度及耐磨性顯著提高。由于這一優勢，國內部分廠家已經開始采取碳氮共滲的方式來對礦用牙輪鉆頭進行生產[2]。牙爪，在進行碳氮共滲時的流程為：首先，將爐內放入氨氣，對氨氣分解速率進行控制，確保牙爪表面覆蓋0.2%—0.4%的氮氣，隨即歷經兩次回火和淬火，其金相組織涵蓋細小馬氏體、點狀碳化物及極少的殘余奧氏體，其硬度指標是HRC60—62，淬硬層，具備極強的抗回火穩定性，對于為抵抗牙爪摩擦而產生的摩擦升溫致使硬度下降這一情況進行有利提高。有關實驗顯示，碳氮共滲鉆頭進行硬巖鉆鑿時，鉆頭使用時限和普通滲碳鉆頭相比高出0.5—1倍左右。

3.球化滲碳淬火工藝

球化滲碳可對普通滲碳造成的尖角狀、塊狀、網狀等硬化物進行克服，對于淬硬層的耐磨性及多沖壓縮接觸疲勞性進行明顯提升，該類方式的具體工藝特點為：在高碳勢下對于牙爪進行滲碳，讓其取得較高的碳濃度，隨后在適當的情況下把這些碳化物轉為球化，最后使其進行回火及淬火，相應取得球狀碳化物，較常規滲碳相比，表明硬度高出HRCI—2，對于牙爪大跑道接觸疲勞性及耐磨性大大提升。

4.滲氮工藝

滲碳過程結束后對礦用牙輪鉆頭進行滲氮處理，但目前我國尚未有廠家對其進行使用，在國外有些公司對于其進行使用，例如，美國里德公司進行軟巖M6Z鉆頭鑿巖時對該項工藝進行使用，滲氮層厚度在0.15—0.20毫米，硬度為HV668—726，由r化合物構成，外表具備良好的耐磨性、抗韌性及抗蝕性。此外，表面壓應力由于氮化層的出現，而逐漸增大，加之淬硬層的輔助，對牙爪跑道的接觸疲勞強度大大進行提高，此類鉆頭使用時限極長，通常高出普通滲碳鉆頭1倍以上。

5.滲硼工藝

滲硼這項工藝使用期限較長，早在70年代國外就已將此工藝適用于石油牙輪鉆頭上，例如，美國休斯公司，對于此工藝進行定型固定用于牙爪大跑道之上，用于多種型號密封滑動軸承鉆頭，這也給休斯公司帶來極高的地位，休斯公司的鉆頭在國際上廣受好評。目前，我國品質較高的石油牙輪鉆頭均采用滲硼工藝?；谠袧B碳的基礎對滲硼工藝進行引進，使得礦用牙輪鉆頭進行碳硼復合式滲淬火強化，其對牙爪大跑道進行強化的效果極為明顯[3]。經有關實驗表明，鉆頭鑿孔較以往延長1倍以上，利用20CrMo材料來對碳硼復合進行處理，鉆頭使用時限達至甚至超出20CrNiMo材料所制成的所有高性能鉆頭。因為牙爪滲碳后方進行滲硼處理，因此對于滲碳質量造成一定影響，諸多數據表明：20CrNiMo材料滲層最大碳濃度下降為0.18%—0.22%、20CrMo材料滲層最大碳濃度下降為0.15%—0.24%、20Ni4Mo材料滲層最大碳濃度下降為0.12%—0.15%。此三類材料滲碳層深度均上升了0.28—0.35毫米。所以，進行滲硼工藝前首先對滲碳工藝進行適當整改，將其質量控制標準進行適當調整。

總結：

伴隨科技的不斷發展以及科學的不斷進步，日后會有更多的新型技術及新型工藝被廣泛用于礦用牙輪鉆頭軸承系統強化中來，例如化學氣相沉淀、等離子體化學氣相沉積等等，對于礦用牙輪鉆頭軸承的強化起到進一步提高的作用。

參考文獻

[1] 黃本生，龔成龍，鄧龍，等. 牙輪鉆頭軸承浮動套涂覆陶瓷膜的性能[J]. 金屬熱處理，2017，42（10）：132-138.

[2] 何霞，廖文玲，康佳寧，等. 織構分布影響鉆頭軸承減磨性能的仿真和實驗研究[J]. 潤滑與密封，2018，43（6）：35-42.

[3] 潘家保，周彬，錢明，等. 靜態熱處理時間對輪轂軸承用復合鋰基潤滑脂流變特性的影響[J]. 潤滑與密封，2018，43（1）：61-66.

（作者單位：本溪高新鉆具制造有限責任公司）