凿岩钎具的失效分析及合理使用

如何合理确定钎头的结构参数、选用优质材料和先进制造工艺等方面，探讨提高凿岩钎具使用寿命的措施。

1 凿岩钎具失效分析

我国的凿岩钎具已经形成系列产品并各具特色，如柱齿钎头、硬质合金整体钎子、极坚韧岩石用钎头、K610 硬质合金等，其质量和使用寿命不断提高，但其性能不稳定。钎具早期失效的主要原因应从钎头和钎杆进行分析。

钎头的破坏形式主要有碎片、碎齿、脱齿、掉齿、断裂等非正常磨损和正常磨损。一字形钎头的主要失效原因是钎头的刃翼太薄，不耐磨，径向磨损快，几何形状稳定性差，刃翼钢体对合金片夹持力不足，促使脱片，炮眼不圆，回转阻力不大，加剧钎刃磨损。球齿钎头主要损坏形式为脱边齿、脱碎齿、裂裤、摘帽和断腰等。中国地质大学通过用7655 风动凿岩机对坚硬花岗岩钻孔时，对国产中∅40、∅42柱齿钎头进行失效统计表明:脱边齿占22.7%，碎边齿占35.4%，脱碎齿占 26.4%。现场试验表明:脱边齿、碎边齿是极其主要的损坏型式。这是由于边齿受偏心应力，分布极不均匀，加上对齿不同径向压力作用，使边齿受力状况恶劣造成断齿。随着柱齿钎头受冲击的增加，齿孔壁的塑性变形量不断增大，使齿孔出现喇叭口，导致固齿力下降量形在脱齿。另外，由于齿孔间过盈量太小，钎头体硬度偏低也加剧了脱齿。高硬度钎头体对硬质合金齿的影响比中、低钎头体硬度高得多。此外，与焊接、焊剂性能和焊接操作以及使用方法等因素有关。钎头钢体的断裂 80%以上发生在钎梢端面与钎裤底部分界处，柱齿钎头部分断裂沿着齿孔底部界等发生。并且常因钢种选择不当，几何结构参数设计不合理，制造工艺选择不合适，使用方法不当等因素影响而加剧断裂。

钎杆在工作时承受着以冲击应力、弯曲应力、腐蚀应力为主的综合交变应力。因此要求钎杆具有较高的疲劳强度、冲击韧性、抗腐蚀能力以及较低的缺口敏感度和裂纹扩展速率。钎杆破坏形式有小钎杆柄端硬度不足造成堆顶:硬度过高造成炸顶；接杆螺纹磨损，以及产生的疲劳破断和脆性破断。钎杆破断是主要失效形式。疲劳断裂在多次反复应力作用下，由于损伤积累产生裂纹，通常起源于材料的薄弱部位，诸如材料内部非金属夹杂物、气泡、白点、伤痕、脱碳、腐蚀裂纹:材质和热处理不良原因，如渗碳纤杆芯部过硬、淬火不良尾柄端产生裂纹和淬裂，由于设计原因和尾柄部嵌合不良形成裂纹和破损；使用不当如锤击打痕、结合部润滑不良以及钎钢腐蚀等引起的裂纹与破断等。矿山凿岩过程中有少部分钎杆破断的断口无疲劳痕迹，一般呈光亮的晶面状态，称为脆性破断。主要由于钎杆某处存在缺陷，如夹杂、压痕、锤伤或断面变化过剧及锻造时产生的喇叭口、热处理不当等因素形成钎杆强度低、塑性差或者产生较大的应力集中，使裂纹发展极为迅速，引起钎杆早期脆性断裂。

2 正确合理的使用凿岩钎具

2.1提高设计质量

确定合理的结构参数，不断发展新品种是提高钎具寿命的前提。柱齿钎头的柱齿齿冠形状多半为半球形，凿岩速度高，压入岩石时，齿面承受压应力比较坚固耐用。齿径的大小应考虑足够的抗拉断应力、固齿强度。从失效分析，边齿受力状况恶劣，脱边齿、碎边齿是钎头损坏的主要形式。可采取以下措施减少边齿损坏，延长柱齿钎头的使用寿命:①强化边齿，正确选择齿形、齿径和露齿高度；②适当减少边齿倾角，有利于改善受力状况，提高边齿抗冲击能力；③正确选择焊缝间隙和固齿过盈量，以增加柱齿的固紧力；④边齿选择韧性高的硬质合金，并经过热处理，防止碎齿卓有成效。强化钎头钢体，增加钢体抗磨蚀性能；⑤合理布齿，尽可能增加边齿齿数，完善排粉系统，保留正面水孔和大间隙三沟两孔的排粉系统，排粉效率高，减少岩粉的重复破碎，降低能耗，延长钎头使用寿命。

改进钎杆结构形式，如美国英格索兰——兰德公司提出全螺纹钎杆，滚压成形法加工，表面硬化处理，提高韧性和耐磨性，螺旋角大，自锁性好，拆装方便。提高钎具外观质量和包装质量，设计好外观形状和包装结构可有效的保护钎具，美化钎具，延长钎具的使用寿命。

2.2 选用优质材料

钎具材料选择要考虑坚韧、耐磨，具有良好的刚性和耐磨性，足够高的疲劳强度，较低的疲劳缺口敏感度，较高的夹持合金片的能力，一定的抗腐蚀性能:①24SiMnNi₂CrMo钢是仿瑞典FF710钢，常规机械性能、断裂性能综合评价最好的新钢种；②40SiMnMoV 钢制造的钎杆平均累计进尺1225.4m，接近国外水平；③55SiMnMo制造小钎杆寿命已接近瑞典95CrMo小钎杆250m水平；④35SiMnMoV 制造钎杆平均寿命可达300m/根。上述钢材经淬火、回火、退火、正火等热处理，形成贝氏体钢，有较高疲劳强度的韧性。对感应钎焊固片、固齿中小钎头选用40MnMoV 为钎头体材料；对于热嵌固齿钎头用45NiCrMoV 钢为好。硬质合金材料的选择必须与岩石机械性能和凿岩机类型相适应。

2.3 应采用先进的制造工艺技术

采用切削法生产钎头，实现全机械加工取代传统老式锻造成型，是钎具制造技术的新发展。刀片钎头的钎焊必须采用良好的加热设备如超音频，中频电炉可用整体感应加热，防止工件氧化、脱碳，温度易于控制，加热时间短，便于钎焊操作，严格控制风冷或空冷，防止产生焊接应力。适当加大焊缝，分级选配磨片，采用汽油等有机溶剂对钎头体钢和硬质合金片的焊接表面认真清洗，以提高钎焊质量。

柱齿钎头固齿工艺对于大中直径宜推广热嵌固齿工艺，它具有对钎头体和硬质合金性能影响小，齿、孔表面不易破坏质量稳定，齿与孔装配后结合面呈两向应力状态固齿质量好，减少脱碎齿，可以实现钢体最佳热处理规范，充分发挥钢材使用潜力，无焊液流淌外观质量好。

冷压齿要求孔加工精度高，常采用高精度加工设备，工装设计采用尺寸链最短，增强接触刚度，提高齿孔表面质量，在刀具设计上选用增大切削变形几何参数和挤压强化加工表面刀具结构，用强力切削使孔壁表面形成残余压缩应力及冷作硬化的变质层。

提高钎杆使用寿命，要制造精确的加工制钎模具，防止锻造产生喇叭口、飞边、裂纹。提高中空钢轧制质量，消除或减少凹痕、结疤、折叠、脱碳等各种表面缺陷。

3 结束语

本文通过对凿岩钎具的失效分析及对钎头各种结构形式及相应破坏形式的研究和观察，论证凿岩钎具的失效形式和原因，并从如何确定合理结构参数、选用优质材料以及如何采用先进制造工艺技术等方面阐述了提高凿岩钎具寿命的措施。但钎具使用寿命由其本身固有质量和科学的使用所决定，为此还应从以下几方面注意:①钎头拆卸时防止用手锤打，利用卸钎器有利于提高钎具寿命；②钎头修磨有利于减少表面裂纹的产生和扩展，提高凿岩速度；③正确操作和使用如开孔时要缓慢推进，待钎头进入岩体再全速工作，接杆时应使钎杆套管与钎尾保持同心，螺纹拧到位；卡钎时不要砸打钎具，而采用关小进气阀门、开大给水阀门慢速推进，不断往返动作使孔壁光滑、钎具进退自如等以防止硬合金片碎裂、断钎尾、钎杆断以及消除卡钎等事故的发生。

总之，在各种条件下，采用配套的凿岩机、专用钎具及相应机具，定能发挥潜在效能。