劉華平，余立新

（蘇州新銳硬質(zhì)合金有限公司，江蘇 蘇州 215121）

巖石的破巖方式及鑿巖合金牌號(hào)的選擇

劉華平，余立新

（蘇州新銳硬質(zhì)合金有限公司，江蘇 蘇州 215121）

介紹了巖石種類及破巖方式，指出了鑿巖用硬質(zhì)合金的選擇原則。新銳公司針對(duì)不同地層和鉆進(jìn)方式開發(fā)出了相適應(yīng)的牌號(hào)，并通過多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)考核，各牌號(hào)合金的進(jìn)尺達(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)水平。

鑿巖；硬質(zhì)合金；巖石種類；潛孔鉆頭；低鈷粗晶合金

0 前言

硬質(zhì)合金的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域就是用于鑿巖工具。鑿巖用硬質(zhì)合金的消耗量大約為硬質(zhì)合金總產(chǎn)量的30%左右。近年，隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)投入增加，鑿巖硬質(zhì)合金的使用量有較大幅度增長(zhǎng)?，F(xiàn)代鑿巖條件，對(duì)硬質(zhì)合金的強(qiáng)度、韌性和耐磨性的要求越來越高。從鑿巖合金的破巖和磨損機(jī)理出發(fā)，對(duì)合金的基本要求是：抗沖擊和耐磨損[1]。因此，正確選用合金牌號(hào)是保證有效使用鑿巖工具的重要條件之一。選擇鑿巖合金牌號(hào)不僅要考慮到巖石的物理性能（如硬度、磨蝕性等），還要考慮鑿巖機(jī)的型號(hào)（如輕型、重型），巖石的破碎方法（包括切削、剪碎、壓碎、擊碎）等。

1 巖石種類及破巖方式

自然界的巖石按成因的不同可分為三大類：火成巖、沉積巖和變質(zhì)巖。

火成巖是由巖漿冷卻固結(jié)形成的，也叫巖漿巖，是一種硬而且完整的巖石，典型的火成巖有：花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖。如果這類巖石沒有遭到嚴(yán)重破裂和風(fēng)化的話，用沖擊方法比較容易鉆鑿，一般來說它們對(duì)于旋轉(zhuǎn)式鉆鑿來說太硬了。

沉積巖多數(shù)經(jīng)歷過膠結(jié)、壓實(shí)和再結(jié)晶作用，代表性的沉積巖有：石灰?guī)r和砂巖。石灰?guī)r的硬度變化極大，硬的石灰?guī)r可以用沖擊式鑿巖或用重型旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)鑿巖，而軟的石灰?guī)r最好用旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)鑿巖。砂巖是磨蝕性的巖石，一般不能采用旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，而使用沖擊式鑿巖機(jī)比較容易鉆進(jìn)。

變質(zhì)巖是由火成巖及沉積巖經(jīng)過變質(zhì)作用形成的，典型的變質(zhì)巖為石英巖，它是由硅質(zhì)巖（純 SiO2）變質(zhì)形成的，一般采用沖擊式鑿巖機(jī)鉆進(jìn)。

巖石的賦存狀態(tài)、成分、結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性和各向異性，使我們難以找到兩塊成分和物理力學(xué)性質(zhì)完全相同的巖石。巖石的硬度、磨蝕性等特性決定了巖石的可鉆性和可爆性，此外還決定了鉆進(jìn)方法。根據(jù)巖石的硬度、磨蝕性所確定的最適合的鑿巖方法見表1[2]。

2 鑿巖用硬質(zhì)合金的選擇原則

選擇硬質(zhì)合金牌號(hào)的基本原則是：所鑿的巖石愈硬，所選用的合金韌性應(yīng)愈好。但不宜過軟，因?yàn)檫^軟會(huì)增加合金磨損，同時(shí)會(huì)降低鑿巖效率。對(duì)極硬巖石和沖擊功大的鑿巖機(jī)械，應(yīng)側(cè)重于合金的韌性，選用含鈷量較高的合金牌號(hào)；對(duì)硬而脆，且磨蝕性強(qiáng)的巖石，應(yīng)側(cè)重于合金的耐磨性，選用含鈷量較低的合金牌號(hào)；對(duì)中硬和中硬以下的巖石，宜選用含鈷量較低、硬度較高的合金[1]。

表1 不同巖石所推薦的鑿巖方法

上述合金牌號(hào)的選擇方法只是一個(gè)參考原則，在具體鑿巖條件下，必須綜合考慮諸如巖石的性質(zhì)、鑿巖方式以及鑿巖設(shè)備的工作參數(shù)等?，F(xiàn)根據(jù)有關(guān)專家多年的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合主要巖石，將鑿巖合金的使用范圍大致劃分為五種類型，以供選擇牌號(hào)時(shí)參考，見表2[3]。

由表2看出，鑿巖合金的鈷含量主要為6%-10%。此外，鑿巖合金牌號(hào)的選擇和鉆頭類型也有關(guān)系。刃片型、球齒型兩種鑿巖合金的鈷含量、硬度及碳化鎢平均晶粒度有差別。前者鈷含量為8%-11%，硬度HRA87.5-88.0，碳化鎢平均晶粒度為2-4μm；后者鈷含量為6%-8%，硬度HRA90.0-90.6，碳化鎢平均晶粒度為1.6-2.0μm。這是因?yàn)榍螨X鉆頭主要用于鉆進(jìn)堅(jiān)硬以下巖層，其頭部呈球面型，與孔底接觸面積大，能有效承受鑿巖時(shí)的沖擊，其受力狀態(tài)比刃片型鑿巖鉆頭好得多。刃片型鉆頭用于極堅(jiān)硬礦巖條件，要求合金具有很高的韌性，所以必須提高合金的鈷含量和晶粒度[4]。

此外，由于低鈷粗晶合金可同時(shí)獲得好的強(qiáng)度和斷裂韌性，以及耐磨性，所以在鉆進(jìn)極堅(jiān)硬地層時(shí)，選用的合金牌號(hào)可降低鈷含量，增加晶粒度。

表2 不同巖石的普氏硬度及所推薦的合適牌號(hào)

3 高質(zhì)量球齒鉆頭合金牌號(hào)的研制

礦用合金的工作環(huán)境惡劣，鉆進(jìn)巖層的狀況復(fù)雜多變。以高氣壓潛孔鉆頭為例，在其沖擊旋轉(zhuǎn)過程中，沖擊器氣壓可達(dá)3MPa，鉆頭旋轉(zhuǎn)速度為75-100rpm，承受的沖擊應(yīng)力頻率達(dá)20-50Hz，合金齒同時(shí)承受強(qiáng)大的疲勞沖擊應(yīng)力和剪切應(yīng)力，這就要求鉆頭配備質(zhì)量?jī)?yōu)良的高性能硬質(zhì)合金。為此，蘇州新銳硬質(zhì)合金公司從WC粉的質(zhì)量、合金晶粒度、鈷相分布及孔隙度方面，對(duì)硬質(zhì)合金的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了質(zhì)量控制，開發(fā)出XR061、XR062、JZ08X等新牌號(hào)，用于中高氣壓潛孔鉆。表3是新銳公司主要礦用合金牌號(hào)介紹。

表3 新銳公司主要礦用合金牌號(hào)介紹

3.1 XR062用于中硬巖層的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

試驗(yàn)的高氣壓潛孔鉆頭體由長(zhǎng)沙礦院提供，裝配XR062合金，鉆頭在洛陽市欒川縣進(jìn)行試用。鉆進(jìn)巖層為f10-12的橄欖大理巖，磨蝕性中等，見圖1。鉆頭直徑為φ138，鉆進(jìn)氣壓為1.5-1.8ΜΡa。本次試驗(yàn)的XR062鉆頭的使用情況見表4。XR062鉆頭及現(xiàn)場(chǎng)鉆頭失效后的照片見圖2、3。

圖1 橄欖大理巖

表4 XR062合金在中硬巖層的使用情況

圖2 Z8B15

圖3 現(xiàn)場(chǎng)鉆頭

據(jù)了解：在該地層，市場(chǎng)上同類鉆頭的平均進(jìn)尺為500m，30%鉆頭失效形式為中晚期碎齒。兩只XR062鉆頭進(jìn)尺都在500m以上，鉆頭的失效形式都為合金正常磨損，說明XR062鉆頭優(yōu)于市場(chǎng)上同類產(chǎn)品。

3.2 XR062用于堅(jiān)硬巖層的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

該試驗(yàn)在四川攀枝花進(jìn)行，地層為f12-16的磁鐵礦。鉆頭直徑為φ152，鉆頭邊齒數(shù)為 8，中齒數(shù)為 7，鉆進(jìn)氣壓為 1.5-1.7MPa。本次試驗(yàn)鉆頭的使用情況見表5。失效后的鉆頭照片見圖4，圖5。

圖4 XR062鉆頭

圖5 現(xiàn)場(chǎng)使用鉆頭

表5 XR062在堅(jiān)硬地層的使用情況

由于鉆進(jìn)地層為磁鐵礦，屬于堅(jiān)硬而韌的巖石，所有廠家鉆頭的主要失效形式都為晚期碎齒，屬于疲勞斷裂。據(jù)了解：在該地層，市場(chǎng)上同類鉆頭的進(jìn)尺一般為400m，而2只XR062鉆頭進(jìn)尺為400m以上，高于市場(chǎng)上同類產(chǎn)品的水平。

3.3 XR061用于中硬巖層的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

本次試驗(yàn)的XR061高氣壓潛孔鉆頭在揭陽市某石場(chǎng)使用，試驗(yàn)鉆進(jìn)巖層為f12-14的白色花崗閃長(zhǎng)巖，見圖6。鉆頭直徑為φ115，邊齒數(shù)為8，中齒數(shù)為7，鉆進(jìn)氣壓為1.8MPa。本次試驗(yàn)鉆頭的使用情況見表6。XR061鉆頭的失效形式為合金正常磨損。在鉆進(jìn)f12-14地層，市場(chǎng)上同類鉆頭的平均進(jìn)尺一般為180m，兩只XR061鉆頭進(jìn)尺為185m以上，高于市場(chǎng)上同類產(chǎn)品水平。

圖6 f12-14白色花崗閃長(zhǎng)巖

表6 XR061在中硬巖層的使用情況

3.4 JZ08X用于石英砂巖的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

本次試驗(yàn)的φ89螺紋球齒釬頭的合金牌號(hào)為JZ08X，在南非市場(chǎng)使用，鉆進(jìn)巖層為磨蝕性強(qiáng)的f12石英砂巖，見圖9。釬頭邊齒數(shù)為8，中齒數(shù)為6，在英格索蘭液壓鑿巖臺(tái)車上使用，鉆進(jìn)氣壓為0.60MPa。釬頭的使用情況見表8。失效后的XR061鉆頭的照片見圖 7，8。

表8 JZ08X鉆進(jìn)石英砂巖的使用情況

圖7 11C51鉆頭

圖8 11C52鉆頭

失效后的JZ08X釬頭照片見圖10。

在該地層，Atlas釬頭的平均進(jìn)尺為50m，而JZ08X釬頭進(jìn)尺為60m，說明JZ08X釬頭的進(jìn)尺達(dá)到了國外釬頭水平。

圖9 f12的石英砂巖

圖10 JZ08X球齒釬頭

4 結(jié)論

本文對(duì)巖石種類及破巖方式進(jìn)行了闡述，指出了鑿巖用硬質(zhì)合金的選擇原則，并針對(duì)不同巖層和鉆進(jìn)方式選擇合適的牌號(hào)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，有如下結(jié)論：

（1）代表性巖石花崗巖、砂巖及石英巖，合適的鑿巖方式為沖擊鑿巖。

（2）鑿巖合金的鈷含量主要為6%-10%。對(duì)于刃片型鉆頭，通常采用鈷含量8%-11%的合金。對(duì)于球齒型鉆頭，一般采用鈷含量為6%-8%的合金。

（3）新銳公司針對(duì)不同地層和鉆進(jìn)方式開發(fā)了XR061、XR062及JZ08X牌號(hào)，通過多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，各牌號(hào)進(jìn)尺達(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)水平。

[1]張國櫸，劉榮湘，陳泓.鑿巖釬具的設(shè)計(jì)、制造和選用[M].湖南：湖南科技出版社，1988.165.

[2]（芬蘭）J.普基拉主編,龍維祺 等譯.巖石露天爆破手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1982：2-3.

[3]董鑫業(yè)，胡銘，翟利亞.鑿巖硬質(zhì)合金手冊(cè)[M].北京：中國釬鋼釬具協(xié)會(huì)，2003：64-122.

[4]張俊熙，周書助.國外鑿巖合金鉆頭材質(zhì)剖析結(jié)果與探討[M].湖南：中國鎢業(yè)協(xié)會(huì)硬質(zhì)合金分會(huì)，2004：15-16.

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