矿用牙轮钻头轴承系统热处理强化

汪景奎

摘要：和国外相比我国当下矿用牙轮钻头使用时限与其差距较为明显。加之由于牙轮钻头实际工作特点，促使牙轮钻头轴承系统极易受到损害，而最终导致钻头废弃。本文结合有关实践经验，对于矿用牙轮钻头轴承系统，进行热处理强化的工艺及操作要点进行说明，希望我国矿用牙轮钻头使用时限得以延长。

关键词：牙轮钻头；轴承；热处理

前言

目前，我国大型野外矿山爆破前，需进行凿孔操作而矿用牙轮钻头作为主要施工工具显得十分重要，但由于野外自然环境较差，因此对于矿用牙轮钻头的设计及制造相关标准及要求极高。因此，如何对矿用牙轮钻头轴承系统进行强化，是进行矿用牙轮钻头设计时的工作重点。

一、造成钻头损坏的原因

造成钻头损坏的原因有很多，其主要原因如下：首先是使用条件及地层岩石性质，其次是钻头自身结构设计及类型，最后也是最为关键的原因是材料及冷热加工工艺。

二、主要热处理强化施工工艺

1.渗碳淬火工艺

通常牙爪制作材料为低合金钢，所以要采取多种化学热处理方式来对外表硬度进行提升，其中普遍使用的方法就是渗碳。现下，国内外钻头生产厂家多数都采取此种办法，由于工艺形式较多，多数均采取气体渗碳，例如，美国里德公司所使用的特定钢套将内部密实固态渗碳剂，在轴颈位置进行套用，于可控气氛炉中进行渗碳，结果良好[1]。为使渗碳层可以达到理想效果，因此对于表明渗碳层厚度、碳浓度及金相组织都有极高的要求，工作面在去除淬火前或是淬火后的细加工剩余量，其碳浓度为0.8%—0.9%较为合适，浓度太低或太高对于淬火后的硬化组织部分都会产生不同程度的影响。硬化层内部的奥氏体剩余数量及分布情况和碳化物含量多少取决于碳浓度的含量，若碳浓度适宜，则残留奥氏体数量较小，碳化物的分布情况致密且均匀，对于淬硬层的抗磨性及多冲压缩接触疲劳强度有显著提升作用，碳浓度过大会使奥氏体及片状、网状碳化物残余量增多，也是导致初期片状脱落和麻点形成的主要因素。牙爪大跑道寿命受到渗碳层深度的影响，研究表明，对于硬岩或软岩进行钻凿时，渗碳层深度在2.0—2.4毫米时，钻头具备较长的使用时限，进行渗碳层深度确定时，要对淬硬层强度分布线进行注意，确保其高于由载荷引发的应力分布线。

2.碳氮共渗淬火工艺

碳氮共渗可以生成碳氮化合物，碳氮化合物可对工件外部形成一定的压应力，摩擦系数极小，碳氮共渗淬火强化和渗碳淬火强化相比，接触疲劳强度及耐磨性显著提高。由于这一优势，国内部分厂家已经开始采取碳氮共渗的方式来对矿用牙轮钻头进行生产[2]。牙爪，在进行碳氮共渗时的流程为：首先，将炉内放入氨气，对氨气分解速率进行控制，确保牙爪表面覆盖0.2%—0.4%的氮气，随即历经两次回火和淬火，其金相组织涵盖细小马氏体、点状碳化物及极少的残余奥氏体，其硬度指标是HRC60—62，淬硬层，具备极强的抗回火稳定性，对于为抵抗牙爪摩擦而产生的摩擦升温致使硬度下降这一情况进行有利提高。有关实验显示，碳氮共渗钻头进行硬岩钻凿时，钻头使用时限和普通渗碳钻头相比高出0.5—1倍左右。

3.球化渗碳淬火工艺

球化渗碳可对普通渗碳造成的尖角状、块状、网状等硬化物进行克服，对于淬硬层的耐磨性及多冲压缩接触疲劳性进行明显提升，该类方式的具体工艺特点为：在高碳勢下对于牙爪进行渗碳，让其取得较高的碳浓度，随后在适当的情况下把这些碳化物转为球化，最后使其进行回火及淬火，相应取得球状碳化物，较常规渗碳相比，表明硬度高出HRCI—2，对于牙爪大跑道接触疲劳性及耐磨性大大提升。

4.渗氮工艺

渗碳过程结束后对矿用牙轮钻头进行渗氮处理，但目前我国尚未有厂家对其进行使用，在国外有些公司对于其进行使用，例如，美国里德公司进行软岩M6Z钻头凿岩时对该项工艺进行使用，渗氮层厚度在0.15—0.20毫米，硬度为HV668—726，由r化合物构成，外表具备良好的耐磨性、抗韧性及抗蚀性。此外，表面压应力由于氮化层的出现，而逐渐增大，加之淬硬层的辅助，对牙爪跑道的接触疲劳强度大大进行提高，此类钻头使用时限极长，通常高出普通渗碳钻头1倍以上。

5.渗硼工艺

渗硼这项工艺使用期限较长，早在70年代国外就已将此工艺适用于石油牙轮钻头上，例如，美国休斯公司，对于此工艺进行定型固定用于牙爪大跑道之上，用于多种型号密封滑动轴承钻头，这也给休斯公司带来极高的地位，休斯公司的钻头在国际上广受好评。目前，我国品质较高的石油牙轮钻头均采用渗硼工艺。基于原有渗碳的基础对渗硼工艺进行引进，使得矿用牙轮钻头进行碳硼复合式渗淬火强化，其对牙爪大跑道进行强化的效果极为明显[3]。经有关实验表明，钻头凿孔较以往延长1倍以上，利用20CrMo材料来对碳硼复合进行处理，钻头使用时限达至甚至超出20CrNiMo材料所制成的所有高性能钻头。因为牙爪渗碳后方进行渗硼处理，因此对于渗碳质量造成一定影响，诸多数据表明：20CrNiMo材料渗层最大碳浓度下降为0.18%—0.22%、20CrMo材料渗层最大碳浓度下降为0.15%—0.24%、20Ni4Mo材料渗层最大碳浓度下降为0.12%—0.15%。此三类材料渗碳层深度均上升了0.28—0.35毫米。所以，进行渗硼工艺前首先对渗碳工艺进行适当整改，将其质量控制标准进行适当调整。

总结：

伴随科技的不断发展以及科学的不断进步，日后会有更多的新型技术及新型工艺被广泛用于矿用牙轮钻头轴承系统强化中来，例如化学气相沉淀、等离子体化学气相沉积等等，对于矿用牙轮钻头轴承的强化起到进一步提高的作用。

参考文献

[1] 黄本生，龚成龙，邓龙，等. 牙轮钻头轴承浮动套涂覆陶瓷膜的性能[J]. 金属热处理，2017，42（10）：132-138.

[2] 何霞，廖文玲，康佳宁，等. 织构分布影响钻头轴承减磨性能的仿真和实验研究[J]. 润滑与密封，2018，43（6）：35-42.

[3] 潘家保，周彬，钱明，等. 静态热处理时间对轮毂轴承用复合锂基润滑脂流变特性的影响[J]. 润滑与密封，2018，43（1）：61-66.

（作者单位：本溪高新钻具制造有限责任公司）