鑿巖用硬質合金沖擊韌性試驗系統(tǒng)研究

2018-05-12 06:41毛云雁呂闖高波陳時平

鑿巖機械氣動工具 2018年1期

毛云雁，呂闖，高波，陳時平

（1.衢州市質量技術監(jiān)督檢測中心，浙江衢州 324002；2.長沙礦冶研究院有限責任公司，湖南長沙410012；3.深海礦產資源開發(fā)利用技術國家重點實驗室，湖南長沙410012）

1 前言

鑿巖用硬質合金和硬質合金/金剛石復合體耐沖擊性能直接影響鑿巖用硬質合金釬頭和金剛石鉆頭的質量。隨著鑿巖設備和鉆機功率的加大，對鑿巖用硬質合金和金剛石復合體沖擊韌性的要求更高。對于硬質合金常溫沖擊韌性試驗方法，國家標準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行試驗，與鑿巖用硬質合金工作狀況相差甚遠。目前國內大多采用現場鑿巖來試驗鑿巖用硬質合金，該方法表面上看來真實可信，但實際上受現場實驗條件如巖性、風壓、水壓及操作、記錄偏差等人為因素的影響，其實驗結果會產生很大誤差甚至失真，且存在試驗周期長、反饋信息慢等問題。國外許多研究人員也采用過環(huán)形試驗、圓環(huán)形試驗、球形試驗、極限單軸、雙扭法等試驗方法對硬質合金進行過斷裂韌性的實驗研究，但僅局限于在實驗室內對特制的樣品（包括在樣品上開溝槽）的斷裂和機理研究，且多用于切削用硬質合金，對于鑿巖用硬質合金實際沖擊韌性的檢測目前還沒有真正有效的試驗手段。

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

2 高速沖擊試驗臺

高速沖擊試驗臺采用霍普金森（Hopkinson）高速沖擊系統(tǒng)，如圖1所示，壓氣由氣源經快速切換閥進入槍管，推動活塞高速撞擊釬桿(活塞最高速度可達25m/s)。在槍管出口處設置有激光測速裝置，其信號接入測速儀，以測定活塞的沖擊速度。釬桿上貼有應變計，用于檢測釬桿中之應力波，其信號經電橋接入應變放大器放大后輸入數據采集器，然后通過接口饋入微機進行數據處理，最后打印出波形和測試結果。

將被測金剛石片成對安裝于釬頭端，測定其沖擊過程的應力波，得出釬頭端沖擊加載的最大應力和載荷，即可確定金剛石片的沖擊抗力。

圖1 高速沖擊試驗臺

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

入射應力波傳遞到釬頭端，將產生反射波σr，自釬頭端向后傳播，此時在釬頭端發(fā)生應力

2.1 測試原理

高速運動的沖擊體（活塞）以沖擊速度Vp對釬桿施加撞擊，在釬桿中將產生一入射應力波σi沿釬桿以波速向前傳播，其最大入射應力波幅

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

沖擊加載載荷

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

圖2 應力波和沖擊抗力

2.2 系統(tǒng)標定

(1)活塞沖擊速度由激光測速裝置測定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——由測速儀讀出，ms

（2）應力和力的標定

活塞撞擊釬桿產生的理論應力σt和力值FT

式中ht——標定時得到的應力量化值

在測試時，調入標定系數則可得出

測試應力 σ=Bσhm，MPa

測試力值 F=ARBσhm，kN

式中hm——測試時得到的應力量化值

2.3 試驗測試

利用高速沖擊試驗臺對金剛石柱齒、硬質合金、金剛石復合片、金剛石復合球齒、金剛石錐齒等多種硬質合金材料進行了沖擊韌性試驗測試，部分試驗測試結果見表1至表5。

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

3 落錘沖擊試驗臺

落錘沖擊試驗臺是以具有一定沖擊能的落錘多次沖擊硬質合金試件，誘發(fā)硬質合金裂紋萌生和擴展，以至脆斷，據此建立在沖擊狀態(tài)下復合片故障率、沖擊能、落錘沖擊次數之間的關系，來判定該批硬質合金產品的質量，而且通過多次沖擊試驗可以排除由于產品裂紋與氣孔自身的缺陷而形成過早脆性斷裂的不合格產品；同時由于預應力的作用將使硬質合金進入使用壽命期，篩選出來的硬質合金更具有可靠的韌性。

表1 試驗1測試結果表

表2 試驗2測試結果表

美國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臺，由給定高度落下的重錘數次沖擊鉆頭，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%或整個的破壞，則停止試驗，試驗取得了良好的效果。本文介紹的落錘沖擊試驗臺測試系統(tǒng)如圖7所示，試驗臺由臺架、落錘裝置、夾持裝置、測時儀等組成，臺架總高度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，即落錘在管內自由下落，落錘由掛錘體自動抓住，通過繩子手動拉起，自設定高度通過機構自動釋放下落產生沖擊能，在落錘下落的末端即接近試件的地方安置測速裝置，落錘的沖擊速度由測時儀檢測，其原理是：已知兩點的距離（Δl），采用測時儀測出活塞經過兩點激光的距離的時間（Δt），由此可得出沖擊速度 V=Δl/Δt。

表3 試驗3測試結果表

表4 試驗4測試結果表

表5 試驗5測試結果表

在落錘沖擊試驗臺上進行沖擊試驗時，采用預定高度的落錘對被測硬質合金試樣施加沖擊能量。根據不同試樣的試驗目的，選擇合適質量的落錘和合適的下落高度，進行數次的沖擊。每次沖擊后，對被測試樣的被沖擊面進行調整定位，以保證每次沖擊在沒有凹痕的表面進行試驗，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百分數值或整個破壞，則認為試樣失效而停止實驗。