一种防冲击凿岩工具及其制作工艺的制作方法

本发明属于机械制造技术领域，尤其涉及一种防冲击凿岩工具及其制作工艺。

背景技术：

目前，多数的凿岩工具由合金齿与凿岩工具基体通过焊接或过赢配合的方式装配在一起。工作过程中凿岩工具与岩石之间发生频繁而强烈的冲击，合金齿与凿岩工具基体承受着交变载荷的作用，经常造成合金齿断裂或基体齿孔的崩裂。通过大量的工程实践证明，合金齿与凿岩工具基体过赢配合的方式装配在一起，合金齿与凿岩工具基体之间存在较多应力集中的现象。减少合金齿与凿岩工具基体的应力接触可以有效减少合金齿断裂或基体齿孔崩裂的概率。由于合金齿的材质，在硬岩和砂岩岩层中作业，也存在耐磨性差或者容易断裂的问题。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种韧性强、硬度高、耐磨性高、抗压性能好、合金齿不易断裂的防冲击凿岩工具及其制作工艺。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种防冲击凿岩工具，包括一体制成的杆部和头部，头部的工作端面上均匀开设有若干个圆柱槽，每个圆柱槽的底部均呈内小外大的圆锥形结构，圆柱槽底部设置有防冲击垫片，圆柱槽内过盈装配有合金齿，合金齿的内端面与防冲击垫片接触，合金齿凸出于头部的工作端面的齿尖呈半球形结构；

杆部和头部的各原料所占的质量百分比分别为：C为0.30～0.38%、Si为0.6 ～0.8%、Mn为0.20 ～0.65%、Cr为2.7 ～3.5%、Mo为2.6～3.4%、V为1.05～1.40%、Nb为0.05～0.15%、杂质P≤0.02%、杂质S≤0.02%，Fe余量；

合金齿采用硬质合金材料制成，各原料所占的质量百分比分别为：主要成分是碳化钨WC为85 ～94%、Co为15%-6%；

齿尖外表面设置有聚晶金刚石耐磨层，聚晶金刚石耐磨层的各原料所占的质量百分比分别为：金刚石为80%-82%，Si为6%-7%，Co为12%-13%；

防冲击垫片的各原料所占的质量百分比分别为：铜为57.0～62%、铝为6.0～8.0%，铁为1.0～4.0%、铅为0.8～1.5%、镍为1～2%、锌为24～35%、镁为0.01～1%以及不可避免的杂质<0.5%；防冲击垫片为圆形，防冲击垫片的直径比圆柱槽小1-2毫米，防冲击垫片厚度为1.5-3.2毫米。

杆部和头部的整体硬度为HRC48～53，冲击韧性为27～37J/cm2；防冲击垫片合金具有500MPa以上的抗拉强度，硬度为HB300～400。

一种防冲击凿岩工具的制作工艺，包括以下步骤：（1）加工制作一体成型的杆部和头部，杆部和头部的各原料依次经过电炉冶炼、电渣重熔、预锻、模锻、缓冷、退火、粗加工工序后获得盘形结构的凿岩工具基体粗坯；凿岩工具基体粗坯再经高温真空淬火加二次高温回火、低温去应力处理、精加工后获得整体硬度HRC48～53、冲击韧性27～37J/cm2的凿岩工具基体成品；使用钻机在头部的工作端表面均匀钻若干个圆柱槽；

（2）对防冲击垫片、合金齿和设置在齿尖外表面的聚晶金刚石耐磨层进行制作；

（3）防冲击垫片放置到圆柱槽底部；

（4）将合金齿镶嵌到圆柱槽内，使合金齿的内端面与防冲击垫片接触。

步骤（2）中合金齿和设置在齿尖外表面的聚晶金刚石耐磨层的具体制作步骤为：

a、金刚石微粉的配料、混合：选取30%-35%重量的50-60um粒度的普通金刚石微粉、30%-35%重量的30-40um粒度的普通金刚石微粉、5%-20%重量的10-20um粒度的普通金刚石微粉以及12%-13%重量的5-20.0umCo粉，剩余为Si粉，利用球磨机将以上粉料球磨10小时，混合均匀后放置在120℃的真空干燥箱下保存备用；

b、在叶腊石块内将金刚石微粉与合金齿组装：取1.0g-2.0g混合好的金刚石微粉与合金齿用5吨的压力机压实组装；将组装压实后的基体置于叶腊石合成块中，放入导电钢圈组成的合成模内，其中聚晶金刚石耐磨层的厚度为1.0--2.0mm；

c、高温高压下合成：将组成的合成模放入六面顶金刚石压机内，在压力5.5-6.1 GPa，温度1300℃-1500℃，烧结合成5分钟，制成聚晶金刚石复合片；

d、喷砂处理：去除聚晶金刚石复合片表面的烧结物；

e、聚晶金刚石复合片去应力：聚晶金刚石复合片在真空炉或气氛保护炉加热到200-250℃，保温5-10分钟后，随炉温自然冷却；

f、聚晶金刚石复合片的后加工：采用磨床进行机械加工后得到聚晶金刚石复合片，使聚晶金刚石复合片的合金齿的直径稍大于圆柱槽的内径，合金齿直径公差为±0.01mm，高度公差为±0.05mm。

步骤（1）中凿岩工具基体粗坯经高温真空淬火加二次高温回火的规范为：淬火温度1050℃-1070℃，淬火油温度30℃-50℃，回火温度600℃-620℃、560℃-570℃各一次。

步骤（1）中进行低温去应力处理的温度为250-370℃，保温时间1.5-2小时，采用真空炉或气氛保护炉。

凿岩工具基体粗坯在真空炉或气氛保护炉加热到150-190℃，保温35-50分钟，随炉温自然冷却。

步骤（2）中防冲击垫片具体制作步骤为：防冲击垫片的各原料在1200℃～1350℃的温度条件下进行熔炼；然后通过半连续或连续铸造成圆铸锭，铸造温度为1200℃～1300℃；所述圆铸锭经过挤压、锻造或者机加工成成品；挤压温度为700℃～850℃，锻造温度为700℃～850℃。

步骤（4）中将聚晶金刚石复合片镶嵌到圆柱槽内采用过盈配合的镶嵌方式，过盈量控制在0.05mm。

采用上述技术方案，防冲击垫片的主要元素为铜、锌等，具有良好的塑性。原来由于合金齿与圆柱槽底部之间为刚性接触，当合金齿受到猛烈冲击时，由于接触面积较小，经常造成合金齿断裂或基体齿孔的崩裂。本发明通过可塑性强的防冲击垫片，合金齿与圆柱槽底部之间为非刚性接触，有效减少合金齿与凿岩工具的头部的应力集中现象。

铅能改善防冲击垫片的切削性能；这可以使防冲击垫片具有良好的可切削性能，易于按要求加工成垫片尺寸。铝能提高防冲击垫片的的强度、硬度和耐蚀性。镁能够细化晶粒、净化熔体、除气的作用，还可使铸造组织中变为团球状，分布趋于均匀，因此可以添加镁用于改善合金组织等性能，且含量为.01～1%。

本发明中下调含碳量至0.30～0.38%，增加Mo的含量，虽然杆部与头部的整体硬度下降为HRC48～53，但杆部与头部的冲击韧性有较大程度提高为27～37J/cm2，保证了杆部与头部具有极高的韧性，避免刀圈断裂现象出现。虽然合金齿的整体硬度下降为HRC48～53，耐磨性降低，但采用聚晶金刚石耐磨层大大增强了合金齿的耐磨性。本发明使合金齿的高冲击韧性和聚晶金刚石耐磨层高的抗压强度、硬度和耐磨性结合起来，故能轻易破碎岩石的同时具有极高的寿命，也大大提高了施工掘进效率。

综上所述，在圆柱槽底部设置防冲击垫片，镶嵌在圆柱槽内的合金齿与防冲击垫片接触，通过该防冲击垫片的弹性及倒角，有效减少合金齿与凿岩工具基体的应力接触，提高凿岩工具寿命，降低凿岩成本。合金齿和聚晶金刚石耐磨层经过一系列加工工艺制作而成，聚晶金刚石耐磨层大大增强了凿岩工具的耐磨性。合金齿采用独特的加工工艺使合金齿具有极高的韧性，聚晶金刚石耐磨层具有很高的抗压强度、硬度和耐磨性高，故能轻易破碎岩石的同时具有极高的寿命，也大大提高了施工掘进效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中合金齿安装在圆柱槽内的放大图；

图3是图2中防冲击垫片的俯视图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明的一种防冲击凿岩工具，包括一体制成的杆部1和头部2，头部2的工作端面上均匀开设有若干个圆柱槽，每个圆柱槽的底部均呈内小外大的圆锥形结构，圆柱槽底部设置有防冲击垫片3，圆柱槽内过盈装配有合金齿4，合金齿4的内端面与防冲击垫片3接触，合金齿4凸出于头部2的工作端面的齿尖呈半球形结构；

杆部1和头部2的各原料所占的质量百分比分别为：C为0.30～0.38%、Si为0.6 ～0.8%、Mn为0.20 ～0.65%、Cr为2.7 ～3.5%、Mo为2.6～3.4%、V为1.05～1.40%、Nb为0.05～0.15%、杂质P≤0.02%、杂质S≤0.02%，Fe余量；

合金齿4采用硬质合金材料制成，各原料所占的质量百分比分别为：主要成分是碳化钨WC为85 ～94%、Co为15%-6%；

齿尖外表面设置有聚晶金刚石耐磨层5，聚晶金刚石耐磨层5的各原料所占的质量百分比分别为：金刚石为80%-82%，Si为6%-7%，Co为12%-13%；

防冲击垫片3的各原料所占的质量百分比分别为：铜为57.0～62%、铝为6.0～8.0%，铁为1.0～4.0%、铅为0.8～1.5%、镍为1～2%、锌为24～35%、镁为0.01～1%以及不可避免的杂质<0.5%；防冲击垫片3为圆形，防冲击垫片3的直径比圆柱槽小1-2毫米，防冲击垫片3厚度为1.5-3.2毫米。

杆部1和头部2的整体硬度为HRC48～53，冲击韧性为27～37J/cm2；防冲击垫片3合金具有500MPa以上的抗拉强度，硬度为HB300～400。

一种防冲击凿岩工具的制作工艺，包括以下步骤：（1）加工制作一体成型的杆部1和头部2，杆部1和头部2的各原料依次经过电炉冶炼、电渣重熔、预锻、模锻、缓冷、退火、粗加工工序后获得盘形结构的凿岩工具基体粗坯；凿岩工具基体粗坯再经高温真空淬火加二次高温回火、低温去应力处理、精加工后获得整体硬度HRC48～53、冲击韧性27～37J/cm2的凿岩工具基体成品；使用钻机在头部2的工作端表面均匀钻若干个圆柱槽；

（2）对防冲击垫片3、合金齿4和设置在齿尖外表面的聚晶金刚石耐磨层5进行制作；

（3）防冲击垫片3放置到圆柱槽底部；

（4）将合金齿4镶嵌到圆柱槽内，使合金齿4的内端面与防冲击垫片3接触。

步骤（2）中合金齿4和设置在齿尖外表面的聚晶金刚石耐磨层5的具体制作步骤为：

a、金刚石微粉的配料、混合：选取30%-35%重量的50-60um粒度的普通金刚石微粉、30%-35%重量的30-40um粒度的普通金刚石微粉、5%-20%重量的10-20um粒度的普通金刚石微粉以及12%-13%重量的5-20.0umCo粉，剩余为Si粉，利用球磨机将以上粉料球磨10小时，混合均匀后放置在120℃的真空干燥箱下保存备用；

b、在叶腊石块内将金刚石微粉与合金齿4组装：取1.0g-2.0g混合好的金刚石微粉与合金齿4用5吨的压力机压实组装；将组装压实后的基体置于叶腊石合成块中，放入导电钢圈组成的合成模内，其中聚晶金刚石耐磨层5的厚度为1.0--2.0mm；

c、高温高压下合成：将组成的合成模放入六面顶金刚石压机内，在压力5.5-6.1 GPa，温度1300℃-1500℃，烧结合成5分钟，制成聚晶金刚石复合片；

d、喷砂处理：去除聚晶金刚石复合片表面的烧结物；

e、聚晶金刚石复合片去应力：聚晶金刚石复合片在真空炉或气氛保护炉加热到200-250℃，保温5-10分钟后，随炉温自然冷却；

f、聚晶金刚石复合片的后加工：采用磨床进行机械加工后得到聚晶金刚石复合片，使聚晶金刚石复合片的合金齿4的直径稍大于圆柱槽的内径，合金齿4直径公差为±0.01mm，高度公差为±0.05mm。

步骤（1）中凿岩工具基体粗坯经高温真空淬火加二次高温回火的规范为：淬火温度1050℃-1070℃，淬火油温度30℃-50℃，回火温度600℃-620℃、560℃-570℃各一次。

步骤（1）中进行低温去应力处理的温度为250-370℃，保温时间1.5-2小时，采用真空炉或气氛保护炉。

凿岩工具基体粗坯在真空炉或气氛保护炉加热到150-190℃，保温35-50分钟，随炉温自然冷却。

步骤（2）中防冲击垫片3具体制作步骤为：防冲击垫片3的各原料在1200℃～1350℃的温度条件下进行熔炼；然后通过半连续或连续铸造成圆铸锭，铸造温度为1200℃～1300℃；所述圆铸锭经过挤压、锻造或者机加工成成品；挤压温度为700℃～850℃，锻造温度为700℃～850℃。

步骤（4）中将聚晶金刚石复合片镶嵌到圆柱槽内采用过盈配合的镶嵌方式，过盈量控制在0.05mm。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。