牙轮钻机钻头热处理工艺设计优化

牙轮钻头是地质钻探、露天矿和石油开采的钻孔工具。牙轮钻头是由牙轮、牙爪和滚柱及滚珠等组成。牙轮钻机工作时，通过其回转、推压机构对钻具施以轴向压力，钻孔是靠牙轮对岩石的压碎、剪切和冲击破碎等多种作用来完成的。因此，工作时牙轮和牙爪承受带有冲击作用的接触应力，同时受到强烈磨损。

1.失效形式分析

牙轮和牙爪的主要失效形式有以下几种：

1）牙轮和牙爪轴承工作面表层疲劳剥落以及因拉毛发热而咬合。

2）牙爪小轴磨损或折断。

3）滚珠和滚柱磨损、碎裂。

4）牙轮和牙爪断裂等。

2.矿用牙轮钻头的选材

从上述的失效特点，可以得知牙轮和牙爪需要由疲劳强度高、韧性好、表面硬度高、耐磨性好的材料制造，在生产中，牙轮和牙爪通常采用优质低碳合金钢（如20CrMo、20Ni4Mo等）制造；其滚珠和滚柱通常采用55SiMoV钢制造。

3.矿用牙轮钻头热处理技术要求

（1）牙轮和牙爪

1）渗碳层深度：牙轮为0.9～2.2mm，牙爪为1.2～2.5mm（均取决于钻头直径）。

2）渗碳层碳含量：牙轮和牙爪均为0.8％～1.05％（质量分数）。

3）淬火回火后表面硬度：牙轮和牙爪均为58～63HRC。

4）渗碳层组织：回火马氏体（≤3级）＋粒状碳化物（≤2级）。

（2）滚柱和滚珠 淬火回火后表面硬度：滚珠为55～59HRC，滚柱为56～60HRC。

4.制造工艺路线(www.xing528.com)

（1）牙轮工艺路线

1）钢齿牙轮：锻造→正火（退火）→机械加工→渗碳→淬火→回火→清洗→磨削。

2）镶齿牙轮：锻造→正火（退火）→机械加工→钎焊减摩材料→渗碳→二次淬火→回火→清洗→钻硬质合金齿孔→压齿→磨削。

（2）牙爪工艺路线

1）堆焊耐磨合金牙爪：锻造→正火（退火）→机械加工→小轴、二道止推面、大轴受力部位堆焊耐磨合金→渗碳→淬火→回火→清洗→磨削。

2）渗碳牙爪：锻造→正火（退火）→机械加工→渗碳→磨削→渗硼→淬火→回火→清洗→磨削。

5.热处理工艺设计

1）15CrNi3Mo钢制牙轮的热处理工艺设计如表6-1所示。

表6-1 15CrNi3Mo钢制牙轮的热处理工艺

（续）

2）20CrNiMo钢制牙爪的热处理工艺设计如表6-2所示。

表6-2 20CrNiMo钢制牙爪的热处理工艺