毛云雁，呂闖，高波，陳時(shí)平

（1.衢州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)中心，浙江衢州 324002；2.長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙410012；3.深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410012）

1 前言

鑿巖用硬質(zhì)合金和硬質(zhì)合金/金剛石復(fù)合體耐沖擊性能直接影響鑿巖用硬質(zhì)合金釬頭和金剛石鉆頭的質(zhì)量。隨著鑿巖設(shè)備和鉆機(jī)功率的加大，對(duì)鑿巖用硬質(zhì)合金和金剛石復(fù)合體沖擊韌性的要求更高。對(duì)于硬質(zhì)合金常溫沖擊韌性試驗(yàn)方法，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1817-1995有規(guī)定，但僅限于擺錘沖擊，且采用特制的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，與鑿巖用硬質(zhì)合金工作狀況相差甚遠(yuǎn)。目前國(guó)內(nèi)大多采用現(xiàn)場(chǎng)鑿巖來(lái)試驗(yàn)鑿巖用硬質(zhì)合金，該方法表面上看來(lái)真實(shí)可信，但實(shí)際上受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件如巖性、風(fēng)壓、水壓及操作、記錄偏差等人為因素的影響，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大誤差甚至失真，且存在試驗(yàn)周期長(zhǎng)、反饋信息慢等問(wèn)題。國(guó)外許多研究人員也采用過(guò)環(huán)形試驗(yàn)、圓環(huán)形試驗(yàn)、球形試驗(yàn)、極限單軸、雙扭法等試驗(yàn)方法對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行過(guò)斷裂韌性的實(shí)驗(yàn)研究，但僅局限于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)特制的樣品（包括在樣品上開(kāi)溝槽）的斷裂和機(jī)理研究，且多用于切削用硬質(zhì)合金，對(duì)于鑿巖用硬質(zhì)合金實(shí)際沖擊韌性的檢測(cè)目前還沒(méi)有真正有效的試驗(yàn)手段。

本文介紹的高速?zèng)_擊試驗(yàn)臺(tái)和落錘沖擊試驗(yàn)臺(tái)，可用于鑿巖用硬質(zhì)合金及鑿巖用硬質(zhì)合金工具的沖擊韌性試驗(yàn)檢測(cè)，并可用于巖石鑿入特性、鑿入系統(tǒng)能量傳遞測(cè)定及鑿入系統(tǒng)匹配研究，以供用戶正確地選定鑿巖工具。

2 高速?zèng)_擊試驗(yàn)臺(tái)

高速?zèng)_擊試驗(yàn)臺(tái)采用霍普金森（Hopkinson）高速?zèng)_擊系統(tǒng)，如圖1所示，壓氣由氣源經(jīng)快速切換閥進(jìn)入槍管，推動(dòng)活塞高速撞擊釬桿(活塞最高速度可達(dá)25m/s)。在槍管出口處設(shè)置有激光測(cè)速裝置，其信號(hào)接入測(cè)速儀，以測(cè)定活塞的沖擊速度。釬桿上貼有應(yīng)變計(jì)，用于檢測(cè)釬桿中之應(yīng)力波，其信號(hào)經(jīng)電橋接入應(yīng)變放大器放大后輸入數(shù)據(jù)采集器，然后通過(guò)接口饋入微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后打印出波形和測(cè)試結(jié)果。

將被測(cè)金剛石片成對(duì)安裝于釬頭端，測(cè)定其沖擊過(guò)程的應(yīng)力波，得出釬頭端沖擊加載的最大應(yīng)力和載荷，即可確定金剛石片的沖擊抗力。

圖1 高速?zèng)_擊試驗(yàn)臺(tái)

R——釬桿和活塞的斷面比

R=AR/Ap

AR——釬桿斷面積

Ap——活塞斷面積

入射應(yīng)力波傳遞到釬頭端，將產(chǎn)生反射波σr，自釬頭端向后傳播，此時(shí)在釬頭端發(fā)生應(yīng)力

2.1 測(cè)試原理

高速運(yùn)動(dòng)的沖擊體（活塞）以沖擊速度Vp對(duì)釬桿施加撞擊，在釬桿中將產(chǎn)生一入射應(yīng)力波σi沿釬桿以波速向前傳播，其最大入射應(yīng)力波幅

式中E——彈性模量，E=2.1×1011Pa疊加，其合應(yīng)力即沖擊加載應(yīng)力σc=σi+σr

沖擊加載載荷

采用活塞對(duì)釬桿實(shí)施高速撞擊，在釬桿中建立入射波σi，在釬頭端設(shè)置一對(duì)硬質(zhì)合金試樣（由于硬質(zhì)合金硬度高，撞擊其它材料本身不易破碎），當(dāng)入射波傳播到達(dá)釬頭端時(shí)，硬質(zhì)合金將產(chǎn)生破碎（只要Vp足夠高），并形成反射波σr；記錄釬桿中之應(yīng)力波即可得到其合應(yīng)力σc(t)及沖擊抗力曲線F(t)，據(jù)此可得出硬質(zhì)合金所能承受的最大沖擊抗力Fmax，如圖2所示。

圖2 應(yīng)力波和沖擊抗力

2.2 系統(tǒng)標(biāo)定

(1)活塞沖擊速度由激光測(cè)速裝置測(cè)定Vp=△S/△t

式中Vp——活塞沖擊速度，m/s

△S——激光束間距離（由裝置給定），mm

△t——由測(cè)速儀讀出，ms

（2）應(yīng)力和力的標(biāo)定

活塞撞擊釬桿產(chǎn)生的理論應(yīng)力σt和力值FT

式中ht——標(biāo)定時(shí)得到的應(yīng)力量化值

在測(cè)試時(shí)，調(diào)入標(biāo)定系數(shù)則可得出

測(cè)試應(yīng)力 σ=Bσhm，MPa

測(cè)試力值 F=ARBσhm，kN

式中hm——測(cè)試時(shí)得到的應(yīng)力量化值

2.3 試驗(yàn)測(cè)試

利用高速?zèng)_擊試驗(yàn)臺(tái)對(duì)金剛石柱齒、硬質(zhì)合金、金剛石復(fù)合片、金剛石復(fù)合球齒、金剛石錐齒等多種硬質(zhì)合金材料進(jìn)行了沖擊韌性試驗(yàn)測(cè)試，部分試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1至表5。

圖3、圖4、圖5是試驗(yàn)5中三種金剛石片沖擊加載的（均已破碎）應(yīng)力波形，根據(jù)波形數(shù)據(jù)繪制的沖擊加載的應(yīng)力和載荷曲線如圖6所示。

3 落錘沖擊試驗(yàn)臺(tái)

落錘沖擊試驗(yàn)臺(tái)是以具有一定沖擊能的落錘多次沖擊硬質(zhì)合金試件，誘發(fā)硬質(zhì)合金裂紋萌生和擴(kuò)展，以至脆斷，據(jù)此建立在沖擊狀態(tài)下復(fù)合片故障率、沖擊能、落錘沖擊次數(shù)之間的關(guān)系，來(lái)判定該批硬質(zhì)合金產(chǎn)品的質(zhì)量，而且通過(guò)多次沖擊試驗(yàn)可以排除由于產(chǎn)品裂紋與氣孔自身的缺陷而形成過(guò)早脆性斷裂的不合格產(chǎn)品；同時(shí)由于預(yù)應(yīng)力的作用將使硬質(zhì)合金進(jìn)入使用壽命期，篩選出來(lái)的硬質(zhì)合金更具有可靠的韌性。

表1 試驗(yàn)1測(cè)試結(jié)果表

表2 試驗(yàn)2測(cè)試結(jié)果表

美國(guó)Systhetic公司為研究PDC鉆頭的沖擊韌性，于2000年建立了一套落錘沖擊試驗(yàn)臺(tái)，由給定高度落下的重錘數(shù)次沖擊鉆頭，一般為10次，在每次沖擊后，沖擊面再定位，以保證每次沖擊施加于新（沒(méi)有凹痕）的表面，檢查鉆頭并記錄破壞程度和型式，如果鉆頭表面被打悼30%或整個(gè)的破壞，則停止試驗(yàn)，試驗(yàn)取得了良好的效果。本文介紹的落錘沖擊試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)如圖7所示，試驗(yàn)臺(tái)由臺(tái)架、落錘裝置、夾持裝置、測(cè)時(shí)儀等組成，臺(tái)架總高度3 m，落錘管采用精拔鋼管或氣腿用鋁合金管，管徑φ63 mm，采用四種落錘，其質(zhì)量分別為 2.7 kg、4 kg、5 kg、6.5 kg，落錘下落高度≤2.0 m，最大可產(chǎn)生的沖擊能分別為53J、78J、98J和 127J。

落錘自由落體采用管式下落法，即落錘在管內(nèi)自由下落，落錘由掛錘體自動(dòng)抓住，通過(guò)繩子手動(dòng)拉起，自設(shè)定高度通過(guò)機(jī)構(gòu)自動(dòng)釋放下落產(chǎn)生沖擊能，在落錘下落的末端即接近試件的地方安置測(cè)速裝置，落錘的沖擊速度由測(cè)時(shí)儀檢測(cè)，其原理是：已知兩點(diǎn)的距離（Δl），采用測(cè)時(shí)儀測(cè)出活塞經(jīng)過(guò)兩點(diǎn)激光的距離的時(shí)間（Δt），由此可得出沖擊速度 V=Δl/Δt。

表3 試驗(yàn)3測(cè)試結(jié)果表

表4 試驗(yàn)4測(cè)試結(jié)果表

表5 試驗(yàn)5測(cè)試結(jié)果表

在落錘沖擊試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，采用預(yù)定高度的落錘對(duì)被測(cè)硬質(zhì)合金試樣施加沖擊能量。根據(jù)不同試樣的試驗(yàn)?zāi)康?，選擇合適質(zhì)量的落錘和合適的下落高度，進(jìn)行數(shù)次的沖擊。每次沖擊后，對(duì)被測(cè)試樣的被沖擊面進(jìn)行調(diào)整定位，以保證每次沖擊在沒(méi)有凹痕的表面進(jìn)行試驗(yàn)，每次沖擊后檢查試樣，并記錄破壞的程度和形式，如果試樣承沖面面積被破壞某個(gè)百分?jǐn)?shù)值或整個(gè)破壞，則認(rèn)為試樣失效而停止實(shí)驗(yàn)。

圖3 錐體釬頭金剛石片測(cè)試應(yīng)力波形圖

圖4 平面釬頭金剛石片測(cè)試應(yīng)力波形圖

圖5 金剛石復(fù)合片測(cè)試應(yīng)力波形圖

圖6 沖擊加載的應(yīng)力和載荷曲線圖

圖7 落錘沖擊試驗(yàn)臺(tái)

目前落錘沖擊試驗(yàn)臺(tái)已在某公司投入使用，取得了很好的試驗(yàn)效果，部分試驗(yàn)結(jié)果將在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)公布。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究建立的高速?zèng)_擊試驗(yàn)臺(tái)和落錘沖擊試驗(yàn)臺(tái)，可以準(zhǔn)確地測(cè)定硬質(zhì)合金的沖擊韌性，系統(tǒng)可用于鑿巖用硬質(zhì)合金沖擊抗力的檢測(cè)，提供硬質(zhì)合金生產(chǎn)廠家作為質(zhì)量監(jiān)控的手段；所提供的沖擊韌性指標(biāo)，結(jié)合其抗磨性能，鉆進(jìn)巖石情況及市場(chǎng)價(jià)格，亦可作為釬頭生產(chǎn)廠家選定合金的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙統(tǒng)武.沖擊鉆進(jìn)動(dòng)力學(xué)[M].冶金工業(yè)出版社,1996.10

[2]Ken E.Bertagnolli,Craig H.cooley.Polycrystalline Diamond Compact(PDC)Design Methodology Utilizing Strain Energy Capacity[J].ETCE2001-17027,2001.2