凿岩用硬质合金的磨损行为初探.pdf

l 6 煤 2 0 0 0年 第 3 文章 编号 l 0 0 0 7 9 4 f 舢 O 3 - 0 o l 每0 3 摘要针对钎头使用的工况条件 ， 从磨粒磨损 、 冲击磨损、 热疲劳效应、 腐蚀等且个方面分析 了 冀 欲 新岩 关 键 词 苎 墨 ； 堡 堕 鱼 垒 i 壁 亏 ， 袄 吲 虬 中图号T D 4 2 1 ． 2 ；T H l l 7 ． 1 J 文献标识码A 凿岩设备的发展， 对钎具的要求越来越高 ， 而 凿岩用硬质合金质量的好坏． 直接决定着钎具 的性 能， 因此 ， 矿用硬质合金的开发应与凿岩设备的发展 同时进行。 新材质的开发离不 开对使用性能的深入 了解 本文从矿用硬质合金的磨损机理人手， 探讨其 失效的原因。 1 钎头工况条件分析 钎头是钻凿爆破孔的主要刃具 ， 是在典型的冲 击旋转式破碎岩石的恶劣条 件下工作的机具 在凿 岩过程中， 当具有一定质量的冲击锤 速度 冲击 钎尾时 ， 压应力波通过钎杆、 钎头作用在孔底岩石 上， 使岩石破碎并形成一条沟槽。 在冲击锤第二次冲 击之前， 将钎头转动一个角度 口 ， 则第二次冲击使岩 石破碎的沟槽在另一位置， 同时 ． 将 口角的扇形面积 证镀层牢固、 耐磨， 与国内同类产品比较 ， 镀覆技术 可属国内先进水平 ； 3 使用本方法， 减少 了剃齿刀 的装卸、 调整时问， 消除了刀具的安装误差 ， 从而使 剃齿工序的辅助时问缩短 ， 刀具管理工作简化， 这 样， 修磨一次剃齿刀仅需 3 5 m i n ， 比传统修磨方 法提高工效百倍以上； 4 本方法不必对剃齿刀单 独修形， 刀具在修磨过程中就达到了动态修形， 修形 精度高， 剃齿工序 中的一些随机误差都可得到补偿 和调整； 5 本方法不用专门的磨刀机床和磨刀工 人， 仅设备费用就可节省资金 十几万元 ； 6 本方法 经实践验证 原理可行 、 形式新颖、 方法简便 、 技术可 靠、 效率突出． 具有广泛地推广应用价值和 良好的经 济效益， 适用于各类机械行业的齿轮制造单位， 对设 有剃齿刀修磨条件的厂家尤为便利。 4结语 本方法经大量的试验和初步推广应用 ． 取得可 喜的成果。 但是 ， 本 课题 的研究工作仍 处于探索阶 段， 如 剃齿刀动载下修磨机理的分析 ， 金刚石镀层 性能的定量分析 ， 金刚石修磨轮参数的优化设计及 对剃齿刀修磨规律的研究等 ， 还需做更多 的试验及 深入的理论分析 ， 在今后 的研究工作和推广应用 中 不断地总结经验， 不断完善、 提高。 参 考 文 献 [ 1 ] 袁哲位， 等 ， 齿轮刀具设计[ M] ． 北京 机械工业出版祉． 1 9 8 3 [ 2 ] 任敬心， 等 ． 齿轮工程学[ M ] ． 北京 国防工业出版杜． 1 9 8 5 [ 3 ] 西野秀宪， 等 ． 刺齿研究 一 ， 二 、 三 [ 日] ． 机床译丛 [ M ] ． 1 9 8 3 ． N o N 0 4 ， N o ． 5 作者简介王素玉， 3 8 罗， 副教授． 1 9 8 2 年毕业于山东工学院一 机系机制专韭． 1 9 9 3年在 山东矿韭学院 机槭系获矿 山机械工程工学 硕士． 现在山东科拄大学机电系从事机械 制造 方面的教学与科研工 作， 曾获山东省科技进步三等 奖． 发表论 文十余篇。 收稿 日期 1 9 9 9 - 1 2 ． 2 4 Th e t e s t a n d r e s e a r c h o n a n e w m e t h o d f o r m o d i f y i n g - g r i nd i ng t h e s h a v i n g c ut t e r W ANG S u - y u I ， W ANG Z o n g - q u a n 2 f 1 ． S h a n d o n g U n l v e r o i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ． T a i ’ a n 2 7 1 0 1 9 ， C h i n a 2 ． S h a n d o n g C o a l M i n e Ma c h i n e r y E q p me m C o mp a n y ，T a i ’ a n 2 7 1 0 0 0 ． C h i n a l Ab s t r a c t T h e p a p e r p r e s e n t s a n e w me t h o d f o r m o d i f y i n g a n d ．g r i n d i n g t h e s h a v i n g c u t t e r ， wh i c h u s e s a d i a mo n d - p l a t i n g g e a r t o gri n d t h e s h a v i ng c u t t e r o n t h e s h a v i n g ma c h i n e ．I t s o l v e s t h e n a n k c 0 n c a v e D r 0 b l e m ． Ke y wo r d s g e a r s h a v i ng ；t h e fl a n k c o n c a v e ；mo d i f i c a t i o n ‘ 维普资讯 ■ 2 0 0 0 年第 3 期 煤 矿 机 械 1 7 岩石剪碎。 如果连续不断地j 中击和转动， 并不断地排 出岩粉． 便形成圆形炮孔。 根据凿岩原理及现场取样分析， 我们认为钎头 的失效形式以磨粒磨损， 冲击磨损为主， 同时伴随有 热疲劳和腐蚀等。 2失效分析 2 ． 1 磨 粒磨 损 引起硬质台金磨粒磨损的原因有 以下几个方 面 1 微观切削 磨粒在材料表面上的作用力可 分为法向与切向 2个分力。 法 向分力使磨粒压人表 面 ． 切向分力使磨粒向前推进， 当磨粒的形状与位向 适当时， 磨粒就向刀具一样， 对表面进行切削而形成 切 屑。 2 多次塑变 微观犁皱或微观压人 导致断裂 由于磨粒具有负前角及较圆钝的特征 ， 故 与表面 材料接触时大部分发生滚动、 压人和犁皱， 使表面材 料发生变形 ， 形成了压坑和唇形的凸缘， 凸缘受到磨 粒作用再次发生变形 ， 如此反复 ， 导致材料加工硬化 或其他变化． 使裂纹逐渐成核 、 扩展， 最终造成材料 从表面脱落。 3 微观脆性断裂 剥落 磨粒与台金表面较 瓶或其中含有硬而脆的第二相 质点发生冲撞 或滑 动， 造成台金表面材料或硬化点发生裂纹和破裂。 有 时我们在失效台金表面上发现很多凹坑， 就是 由于 这种微观断裂引起的。 在磨料磨损过程中， 往往有几种机理同时存在， 但以某一种为主． 当工况条件发生变化时， 磨损机理 也随着改变。 2 ． 2冲 击磨损 被磨损的硬质合金表面上裂纹的高度稠密， 可 能是由于表层的冲击疲劳造成的。 冲击疲劳造成的 表面剥落产生的裂纹不是穿透得很深。 如果嵌入物 被磨平了， 那么在有磨损 与无磨损 区域 之间会产生 一 个敏角， 因此在敏锐的过渡区会产生冲击剥落。 冲击过程中， 直径大约 2 O O m的薄片会从台金 表面剥落下来 ， 薄片的大小取决于硬质合金的等级 ， 即钴含量和 WC颗粒大小的分布情况 ， 而不取决 于 所凿的岩石 然而对一种给定的等级来说不管岩石 是硬还是软， 磨损速度的差别归结于磨损剥落物形 成的次数， 而不是它的大小。 在磨损的表面上， 看不到剥落的方 向性或表面 的条纹， 碎片和碎粒很不容易找到， 剥落的表面总是 光滑的。 剥落物的外表与在滚动轴承上进行滚动接 触疲劳试验产生的剥落物非常相似 ， 说 明赫兹接触 可能是磨损的机理。 2 ． 3 热疲劳效应 凿岩时， 由于岩石与钎头间存在着摩擦运动， 热 的产生是不可避免的。 单位面积上产生的热量 Q与 作用在钎头工作面上的垂直分力 P， 接触面间的相 对速度 ， 接触时间 成正比， 在回转凿岩中， 由于轴 向推力大 P亦大， 因此产生的热量 Q也很大 ， 且由 于破碎岩石的非连续性， 使 P在一定范围内波动， 使得钎头的温度也随之波 动。 试验证实， 凿岩过程 申， 即使有冷却水． 钎 头工作 面也可 以达到 6 ．5 0 7 0 0℃ 的温度 钎头不但受到周期性的热冲击 ， 且在 表面下产生很大的温度梯度。 由于 7相的热膨胀系 数比WC 相约大 3 倍 ， 在冷却时 7 相中将产生相当大 的热交变应力。 在弹性范围内这种热应力 d 胁△ 式中 ￡ 弹性模量 n 热膨胀系数 △ 热循环温度梯度 矗 与泊桑约束条件有关的系数， 一般 为 0 ． 52 ． 5 硬质台金的热膨胀系数 n随钴吉量的增加而增 大 ， 而导热率则相反 ， 因此在相 同条件下 ， 高钴硬质 台金的热应力比低钴合金要大 在冲击凿岩条件下 ． 硬质合金钎头上的热应力 达 8 0～ 1 0 0 M P a ， 这个 值已接近硬质合金的抗拉强度。 在这样大的热交变 应力作用下 ， 工作表面 产生裂纹是不可 避免的。 通 常， 硬质合金经一段时间凿岩后， 表面上产生典型的 “ 蛇皮”式的热疲劳裂纹。 在交变的高温下 品格缺 陷在 WC --WC晶界和 wc 一7 相边界上集结 ， 所以热 疲劳裂纹通常优先在这些 区域扩展 不 同晶粒度的 硬质合金片齿凿岩后热疲劳扩展形态是不同的． 细 晶粒合金的裂纹较为平直且平行于温度梯度方向． 而粗晶粒台金的裂纹多为曲折 ． 且往往与温度梯度 方 向不一致 ， 可见粗晶粒 WC对裂纹扩展有较高的 阻力。 2 ． 4 腐 蚀 凿岩机活塞以超过 5 0 H z的频率、 很 高的冲击 功冲击钎尾的端面 ， 通 过钎杆传递给钎头以破碎岩 石。 按静应力分析 ， 钎头需承受活塞 产生的拉、 压应 力 ， 冲击振动与自身在岩体中旋转造成的扭转应力 此外， 在凿岩过程中还要承受岩粉及水介质的腐蚀 作用。 由此可见， 钎头还处在腐蚀疲劳等多重循环应 维普资讯 l 8 ．2 c o c f -f 煤 矿 机 械 2 O 0 O年第 3期 力状态 下工作 。 腐蚀疲劳常由腐蚀裂纹、 点蚀坑及其他蚀坑引 起 ． 裂纹多半是穿晶或冶晶 ， 很少分叉， 断 口大部分 被腐蚀产物覆盖 ． 且呈圈状发展 。 3解决措施 1 凿岩钎具使用工况、 受力十分复杂， 工况、 受力不同， 其破坏机理也不一样。 有时以这一种机理 为主要破坏原因． 其他为辅； 有时以另一种为主， 其 他为辅 ； 也有可能是上述机理中的几个同时为主。 由 于硬质合金分为耐磨型、 居 中型和耐冲击型 3个等 级， 耐磨型的碳化物比钴含量高， 具有截割岩石需要 的最高硬度； 居中型因碳化物的含量 比前者低 ． 故硬 度也较低； 耐冲击型因碳化物相对于钴的含量最低 ， 硬度也最低。 一般而言， 耐磨型用于钻凿软质岩层． 耐冲击型用于钻凿硬质岩层。 因此 ， 在钻凿过程中应 根据不同的岩石特性 、 不同的工况条件选用不 同的 钎头。 2 通过对冲击或冲击旋转式凿岩钎头的磨损 分析， 任一合金的磨损体积 H 与距钎头中心轴的距 离 有如下关系 V z Ⅱnb n R／ 3 0 式 中 n ． 6 系数． 其中 。主要与冲击引起的磨损 有关 n 钎 头的转速 根据上式 ， 离钎头中心越远的台金与岩石颗粒 摩擦行程越长 ， 磨损越严重； 值越大 ， 磨损越快。 因 此， 在设 计钎头时． 应在结构 上保持合金 的同步磨 损。 同时， 在不影响钻孔进尺的前提下， 应尽量降低 凿岩机转速。 单纯提高转速， 特别是在冲击频率不变 的情况下 ， 只能加快钎头的磨损。 3 采用新型复合体材料 ， 如非均匀结构硬质 合金 也称双重性质硬质合金在一定程度上兼有 高钴 或粗晶粒合金的高韧性 和低钴 或细晶粒 合金的高耐磨性 ， 从而使合金的使用性能得到改善。 近年 ， 应用上述原理推出了硬质合金复合柱齿。 它由 3 层组成 工作层 由聚晶金剐石和钴或大于4 0 ％ 的 金刚石和硬质合金组成 ； 过渡层 大约含 4 O ％ 金刚 石， 其余为硬质合金 ； 硬质合金基体。 参 考 文 献 [ 1 ] 赵运才． 庞佑霞 ． 采煤机截齿磨粒磨损拽折[ J ] ． 矿山机械， 1 9 9 7 ． 1 2 [ 2 ] 张清 ． 金属癌损和金厩耐磨材料手册【 ] ． 北京 冶金工业出版 杜 [ 3 ] HB克拉盖尔斯基 ． 1 搴 攘磨损计算原理[ M 北京 机槭工业出 版杜 [ 4 ] 王九如 亩岩用硬质台盒唐捆机理的进展[ J ]硬质合金， I 9 8 0 4 作者简介 季渡， 1 9 年生． 讲师， 现主要从事矿山机械和工程 图学的教学及科研工作 ， 已发表6 篇论文． 参加科研项目6 项 ， 其中获 省都圾奖 l 项。 收稿 日期 1 9 9 ％1 0 - 2 5 App r o a c hi n g o n we a r o f h a r d a l l o y us i n g dr i l l i ng L I B o C A I J i a n - p l n g aI 删O- ． C h i n a G e o l o g y T e c h n o l o g y U n i v e r s i t y - Wu h a n 4 3 0 0 7 4 。 C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e w o r k i n g c o n d i t i o n o f d r i l l b i t _ t h i s p a p e r a n a l y s e s i t s 1 S S O n S a n d me c h a n i s a t i o n o f d e s t r u c t i o n f r o m s o me f a e t s a b r a s i v e w e a l“ ， p e r c u s s i o n w e a r _ t h e r m o - f a l i g u e d e ff e c t ， e r o s i o n ， a n d p u t f o r w a r d s 0 r I l e s o l v i n g I n u r s． Ke y wo r d s d r i l l i n g ； h a rd a l l o y ； “, e ar 单体液压支柱柱帽诞生 c 啤一 ／ 山 东 二 和 充州 矿 些 塞里 坌司 宣 竖 、 杨村 煤矿 共同研 制的 单 体液压 支柱 柱帽， 填 补 了 ， 国内的一项空 白， 已经通过了专家的技术鉴定。 此 项 研 究 课题 采 用了 阻 燃 性能 优良 的 塑堕 为 主 体材 料， 掭 加了 一 定 数量 的增 塑剂 抗静电 剂、 阻 燃 增 强 剂 筹． 经 过共 混 改 性 而制 成． 具 有 优良 自 i i 电 性、 耐压 性 和较 高的 弹 性。 由 _手 函 百 ～ 大液压支柱与顶板的接触面积 ． 有利于提高支护质量 ． 减轻了支护工作的劳动强度 ．减少了倒柱率 ． 实现 了以 塑代木， 节约了坑木消耗。 该产品的安全性能及力学性能完全符合 及有关标准规定的抗静电、 阻燃、 力学性能等要求， 对高分子材料用于煤矿起到推动作用 。 李剑锋 烘} 齑 维普资讯