礦用牙輪鉆頭軸承系統(tǒng)熱處理強(qiáng)化

汪景奎

摘要：和國外相比我國當(dāng)下礦用牙輪鉆頭使用時(shí)限與其差距較為明顯。加之由于牙輪鉆頭實(shí)際工作特點(diǎn)，促使牙輪鉆頭軸承系統(tǒng)極易受到損害，而最終導(dǎo)致鉆頭廢棄。本文結(jié)合有關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對于礦用牙輪鉆頭軸承系統(tǒng)，進(jìn)行熱處理強(qiáng)化的工藝及操作要點(diǎn)進(jìn)行說明，希望我國礦用牙輪鉆頭使用時(shí)限得以延長。

關(guān)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(jìn)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(huán)境較差，因此對于礦用牙輪鉆頭的設(shè)計(jì)及制造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及要求極高。因此，如何對礦用牙輪鉆頭軸承系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)化，是進(jìn)行礦用牙輪鉆頭設(shè)計(jì)時(shí)的工作重點(diǎn)。

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(zhì)，其次是鉆頭自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及類型，最后也是最為關(guān)鍵的原因是材料及冷熱加工工藝。

二、主要熱處理強(qiáng)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(xué)熱處理方式來對外表硬度進(jìn)行提升，其中普遍使用的方法就是滲碳?，F(xiàn)下，國內(nèi)外鉆頭生產(chǎn)廠家多數(shù)都采取此種辦法，由于工藝形式較多，多數(shù)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(nèi)部密實(shí)固態(tài)滲碳劑，在軸頸位置進(jìn)行套用，于可控氣氛爐中進(jìn)行滲碳，結(jié)果良好[1]。為使?jié)B碳層可以達(dá)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(xì)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(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。硬化層內(nèi)部的奧氏體剩余數(shù)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(shù)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(qiáng)度有顯著提升作用，碳濃度過大會(huì)使奧氏體及片狀、網(wǎng)狀碳化物殘余量增多，也是導(dǎo)致初期片狀脫落和麻點(diǎn)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(jìn)行鉆鑿時(shí)，滲碳層深度在2.0—2.4毫米時(shí)，鉆頭具備較長的使用時(shí)限，進(jìn)行滲碳層深度確定時(shí)，要對淬硬層強(qiáng)度分布線進(jìn)行注意，確保其高于由載荷引發(fā)的應(yīng)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(yīng)力，摩擦系數(shù)極小，碳氮共滲淬火強(qiáng)化和滲碳淬火強(qiáng)化相比，接觸疲勞強(qiáng)度及耐磨性顯著提高。由于這一優(yōu)勢，國內(nèi)部分廠家已經(jīng)開始采取碳氮共滲的方式來對礦用牙輪鉆頭進(jìn)行生產(chǎn)[2]。牙爪，在進(jìn)行碳氮共滲時(shí)的流程為：首先，將爐內(nèi)放入氨氣，對氨氣分解速率進(jìn)行控制，確保牙爪表面覆蓋0.2%—0.4%的氮?dú)?，隨即歷經(jīng)兩次回火和淬火，其金相組織涵蓋細(xì)小馬氏體、點(diǎn)狀碳化物及極少的殘余奧氏體，其硬度指標(biāo)是HRC60—62，淬硬層，具備極強(qiáng)的抗回火穩(wěn)定性，對于為抵抗牙爪摩擦而產(chǎn)生的摩擦升溫致使硬度下降這一情況進(jìn)行有利提高。有關(guān)實(shí)驗(yàn)顯示，碳氮共滲鉆頭進(jìn)行硬巖鉆鑿時(shí)，鉆頭使用時(shí)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(wǎng)狀等硬化物進(jìn)行克服，對于淬硬層的耐磨性及多沖壓縮接觸疲勞性進(jìn)行明顯提升，該類方式的具體工藝特點(diǎn)為：在高碳勢下對于牙爪進(jìn)行滲碳，讓其取得較高的碳濃度，隨后在適當(dāng)?shù)那闆r下把這些碳化物轉(zhuǎn)為球化，最后使其進(jìn)行回火及淬火，相應(yīng)取得球狀碳化物，較常規(guī)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(jié)束后對礦用牙輪鉆頭進(jìn)行滲氮處理，但目前我國尚未有廠家對其進(jìn)行使用，在國外有些公司對于其進(jìn)行使用，例如，美國里德公司進(jìn)行軟巖M6Z鉆頭鑿巖時(shí)對該項(xiàng)工藝進(jìn)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(gòu)成，外表具備良好的耐磨性、抗韌性及抗蝕性。此外，表面壓應(yīng)力由于氮化層的出現(xiàn)，而逐漸增大，加之淬硬層的輔助，對牙爪跑道的接觸疲勞強(qiáng)度大大進(jìn)行提高，此類鉆頭使用時(shí)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(xiàng)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(jìn)行定型固定用于牙爪大跑道之上，用于多種型號密封滑動(dòng)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(zhì)較高的石油牙輪鉆頭均采用滲硼工藝。基于原有滲碳的基礎(chǔ)對滲硼工藝進(jìn)行引進(jìn)，使得礦用牙輪鉆頭進(jìn)行碳硼復(fù)合式滲淬火強(qiáng)化，其對牙爪大跑道進(jìn)行強(qiáng)化的效果極為明顯[3]。經(jīng)有關(guān)實(shí)驗(yàn)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(fù)合進(jìn)行處理，鉆頭使用時(shí)限達(dá)至甚至超出20CrNiMo材料所制成的所有高性能鉆頭。因?yàn)檠雷B碳后方進(jìn)行滲硼處理，因此對于滲碳質(zhì)量造成一定影響，諸多數(shù)據(jù)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(jìn)行滲硼工藝前首先對滲碳工藝進(jìn)行適當(dāng)整改，將其質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

總結(jié)：

伴隨科技的不斷發(fā)展以及科學(xué)的不斷進(jìn)步，日后會(huì)有更多的新型技術(shù)及新型工藝被廣泛用于礦用牙輪鉆頭軸承系統(tǒng)強(qiáng)化中來，例如化學(xué)氣相沉淀、等離子體化學(xué)氣相沉積等等，對于礦用牙輪鉆頭軸承的強(qiáng)化起到進(jìn)一步提高的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃本生，龔成龍，鄧龍，等. 牙輪鉆頭軸承浮動(dòng)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(gòu)分布影響鉆頭軸承減磨性能的仿真和實(shí)驗(yàn)研究[J]. 潤滑與密封，2018，43（6）：35-42.

[3] 潘家保，周彬，錢明，等. 靜態(tài)熱處理時(shí)間對輪轂軸承用復(fù)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(zé)任公司）