硬质合金柱齿钎头断齿原因的分析

由于高效大功率液压凿岩机的迅速发展把柱齿合金钎头推上了历史舞台，并形成与片状合金钎头对抗、竞争的局面，有的还认为柱齿合金钎头有可能取代片状合金钎头。随着柱齿合金钎头需求量的增加，对柱齿合金钎头的设计、加工、使用等方面的研究也在不断深化。

一、柱齿合金钎头失效的原因

七十年代初，由于高效大功率液压凿岩机的迅速发展把柱齿合金钎头推上了历史舞台，并形成与片状合金钎头对抗、竞争的局面，有的还认为柱齿合金钎头有可能取代片状合金钎头。

随着柱齿合金钎头需求量的增加，对柱齿合金钎头的设计、加工、使用等方面的研究也在不断深化。

柱齿钎头使用中失效的原因不外是:1.磨损;2.断齿;3.掉齿;4.折腰

对于第一种失效可能是正常磨损，亦可能是选用合金牌号不当而造成过早的磨损失效:对于第三种失效多为固齿工艺不当造成的;对于第四种失效可能是钎头加工工艺不当或选材不当，不少资料已对此作了较深入的分析:对于第二种断齿失效目前虽有论述，但看来仍待进一步探讨。

二、柱齿合金钎头断齿的形式及原因

柱齿钎头断齿多产生在边齿，这是由于边齿与钎头中心线成a角，与顶齿相较承受着较复杂的应力的缘故。

断齿通常有三种形式，一为摘帽，二为碎断(见图1)，三为折断(见图2)。柱齿摘帽多是合金在成型中产生未压合裂纹引起的，但不排除过盈量过大及过敲击等因素碎断若出现在使用晚期，则多属正常碎断若出现在使用早期，则多与合金齿的内在质量或选用合金牌号不当有关，折断多为边齿(也有少数产生在顶齿)，产生折断的原因说法较多，有的认为是合金质量不好，而引起折齿;有的认为是a角太大，眼壁岩石由外向里把边齿挤碎;有的认为是a角过小引起齿根裸露过多，引起边齿工作后期发生“外翻碎断”。

对折齿进行认真观察与分析就可以发现，上述说法都是欠妥的，下面我们从宏观断口分析入手，并对齿的折断过程进行受力分析来探讨折齿的真正原因，并由此来探求防止折齿的工艺方法。

三、折齿的宏观断口分析

图2是典型的边齿折断的照片，照片提示了边齿折断的特征是:

1.折断是在埋入齿高的(1/3)-(1/2)处，孔内留有折断的残齿身。

2.从折断齿的断口上可以看到，在靠钎头边部为光滑平整的断口或有放射状纹路，而靠钎头顶部则出现横向断裂纹。

断口宏观特征记载了断裂的全过程:即边齿的折断是从钎头边部处开始，而在纤头顶部处告终，换句话说:合金齿不是“外翻碎断而是内翻折断。

大量硬质合金抗弯试样断口均无例外地揭示这样一个规律，即在张应力面处断口都是呈光滑平整或呈放射状纹路，而在压应力区则出现一条或多条的横向裂纹，断齿的断口特征记载的正是硬质合金弯曲脆断的最一般的、绝无例外的宏观断口特征。由断齿断口特征可知，光滑平整的断口与张应力对应，而横向断裂纹则与压应力对应，因此边齿的折断是内翻折断。

进一步观察发现，导致内翻折断的真正原因是齿边间隙的存在，图3及图4均可看到，在新加工的钎头上由于固齿工艺不当而造成的齿边间隙，图5是顶齿的齿边间隙放大，图6与图7是图3所示的间隙的进一步放大，图8是国外钎头照片，在其上是看不到齿边间隙的，合金四周被钢体紧密地包裹住。由于固齿工艺不当而造成的齿边间隙宽可达0.5-1mm，间隙深可达0.5-4mm，正是由于齿边间隙的存在，为合金柱齿受力时提供了向齿边间隙翻折的前提。

四、折齿过程的受力分析

在分析边齿受力时认为，合金在作用力F的作用下柱齿承受一个M01＝F·X1的力矩，因而造成了“外翻折断“(见图9)。这个分析是欠妥的，结论亦是错误的。实际的情况应是这样的，钎头在工作时，由冲向岩石的力F0所产生的反作用力F作用在各受力的柱齿上，这个反作用力F在边齿上分解成两个力F1与F2，F1垂直地压向柱齿，这个力不会使柱齿产生折断，F2与F1垂直，方向是作用向岩石，岩石随之产生一个反力F3作用向柱齿，当没有齿边间隙存在时F3与齿顶部的F2相抗衡，不致使柱齿折断,但当存在齿边间隙时,则将产生一个柱齿向内翻的力矩M=F3L，而将使齿折(见图10)。

若F3是一种静压应力，可以估算出其实际值不会大于6.37MPa(当冲击功W＝229.8J，七齿钎头齿径x齿高=∅10x15mm，间隙深L＝3.5mm时)，这个应力远远小于合金的抗弯强度(Rtr)，合金柱齿不应当折断，但是钎头工作时是在每分钟高达3300次的冲击下工作，合金柱齿受的是一种小能量多次冲击，损伤的集累导致裂纹的萌生和扩展，最终就导致合金柱齿的折断。

图11是不同钨钴类合金在小能量多次冲击下的冲击破断次数与冲击能量的关系，这个研究结果将有助于揭示柱齿合金断裂与齿边间隙的关系。

为了利用图11的研究结果，作了如下的处理和假设：

1.将冲击能量A值换算成作用在合金单位长度上，单位面积的冲击能量A。。

2.钎头为∅50的七齿柱齿钎头，合金柱为∅10x15，边齿倾角a＝35°或37°。

3.作用在钎头上的冲击功W=229.8J，冲次N=3300次/分，七齿均摊。

这样便可得到图12的齿边间隙深度 (L)与冲击破断次数(1ogN)的关系。

图12表明，当齿边间隙深度由0增至2mm时，冲击破断次数将减少98.06-98.40%(YG15合金)或99.18-99.35%(YG11合金)，由此可见齿边间隙的存在将对合金柱齿的折断造成多么严重的影响。

五、结束语

齿边间隙的产生纯属固齿工艺不当所致，因此钎头制造厂家应针对不同的工艺采取有效的技术措施，杜绝齿边间隙的产生，并应加强固齿后的质量检查，不使有齿边间隙的钎头出厂，在提高钎头质量的前提下，才能取得高的社会效益，使企业在竞争中得到生存与发展。作者：易凯华王九如