مته‌های سنگ در سخت‌ترین شرایط محیطی روی زمین کار می‌کنند که باعث می‌شود دوام مواد غیرقابل مذاکره باشد. فرآیندهای کنترلشده عملیات حرارتی فولاد مته را در سطح اتمی تغییر می‌دهند و تعادل دقیق سختی و چقرمگی لازم برای تحمل بارهای سنگین معادن را به دست می‌آورند.
محیط‌های معدن، مته‌های سنگ را در معرض تنش‌های چند جهته‌ای قرار می‌دهد که از ۵۰,۰۰۰ PSI (مجله مهندسی معدن ۲۰۲۳) فراتر می‌رود و دمای نوک آن در حین کار مداوم به ۶۵۰°C می‌رسد. تشکیلات سنگ‌های ساینده، نرخ سایش را نسبت به مته‌زنی استاندارد در ساخت‌وساز ۳۰۰٪ افزایش می‌دهند و بدین ترتیب موادی را می‌طلبد که هم در برابر شکست ضربه‌ای و هم در برابر تخریب سطحی مقاوم باشند.
هنگامی که در مورد عملیات حرارتی فولاد صحبت می‌کنیم، ساختار کریستالی در سه مرحله اصلی تغییر می‌کند: ابتدا آستنیته‌شدن، سپس سردکردن سریع (کوئنچینگ) و در نهایت تمپر کردن. فرآیند کوئنچینگ در واقع ساختار سخت مارتنزیت را درون فلز ایجاد می‌کند که می‌تواند به سختی حدود 850 روی مقیاس ویکرز برسد. پس از این سخت‌کاری اولیه، مرحله تمپر کردن انجام می‌شود. این مرحله دوم باعث کاهش شکنندگی ماده تا حدود 40 درصد می‌شود، در حالی که خواص خوب مقاومت در برابر سایش همچنان حفظ می‌شود. برای مته‌هایی که باید از میان تشکیلات سنگی سخت گرانیت عبور کنند، این ترکیب بسیار مؤثر است. سر مته‌هایی که با این روش ساخته شده‌اند، حتی پس از هزاران ضربه هم لبه تیز خود را حفظ می‌کنند و معمولاً قبل از نیاز به تعویض، بیش از 8,000 چرخه دوام دارند.
یک اپراتور درجه یک سنگ آهن پس از اجرای مته‌های سنگی با سختی القایی، به کاهش ۵۸ درصدی تعویض مته‌ها دست یافت. تحلیل پس از عملیات نشان داد که توزیع کاربید به‌طور یکنواخت در سطوح مستعد سایش انجام شده است و میانگین زمان بین خرابی‌ها را از ۷۲ به ۱۷۴ ساعت کارکرد افزایش داده است (گزارش کارایی معادن ۲۰۲۳).
تولیدکنندگان پیشرو اکنون در حین آهنگری اولیه، عملیات نرمال‌سازی را جهت حذف تنش‌های باقیمانده از ریخته‌گری اعمال می‌کنند. این مرحله پیش‌پردازش، یکنواختی عملیات آبدهی نهایی را ۲۵ درصد بهبود می‌بخشد و واریانس ابعادی پس از ماشینکاری را به کمتر از ۰٫۲ میلی‌متر می‌رساند — عاملی حیاتی برای حفظ تمامیت آب‌بند هیدرولیکی در حین حفاری ضربه‌ای.
وقتی فولاد سرد شدید (کوئنچ) می‌شود، پس از گرم کردن به سرعت خنک می‌شود و این امر باعث آنچه تبدیل مارتنزیتی نامیده می‌شود می‌گردد. این کار باعث ایجاد سختی بسیار بالا در سطح فولاد می‌شود که به حدود ۶۵ HRC می‌رسد. این سطح از سختی تقریباً ضروری است وقتی با تشکیلات سنگی سختی سروکار داریم که به سرعت باعث سایش ابزارها می‌شوند. برخی تحقیقات اخیر در سال ۲۰۲۳ نیز چیز جالبی نشان دادند. متهای حفاری که فرآیند کوئنچ روی آنها انجام شده بود، در هنگام کار روی گرانیت حدود ۳۸ درصد طول عمر بیشتری نسبت به متهای معمولی که تحت این پردازش قرار نگرفته بودند داشتند. با این حال، کل فرآیند کوئنچ نیازمند مدیریت دقیق دما است. فولاد باید قبل از غوطه‌وری در روغن یا محلول پلیمری خاصی، در دمایی حدود ۸۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتیگراد نگه داشته شود. بدون این رویکرد کنترلشده، فلز تمایل به تغییر شکل یا ایجاد ترک‌های ریزی پیدا می‌کند که بلافاصله دیده نمی‌شوند اما بعداً مشکلاتی ایجاد خواهند کرد.
در حالی که عملیات سخت‌کاری حداکثر سختی را به دست می‌آورد، عملیات بازپخت در دمای 200 تا 600 درجه سانتیگراد شکنندگی را از طریق رسوب کاربید کنترلشده تا 40 تا 60 درصد کاهش می‌دهد. این فرآیند دامنه بهینه سختی راکول بین 55 تا 60 HRC ایجاد می‌کند که در آن کارایی برش حفظ می‌شود و ترک نخوردن قطعه تحت بارهای ضربه‌ای تضمین می‌گردد. بازپخت مدرن مرحله‌ای، سطوح مقاوم در برابر سایش را حفظ کرده و در عین حال ساختارهای هسته‌ای جذب‌کننده ضربه را توسعه می‌دهد و در نتیجه استحکام کلی قطعه را افزایش می‌دهد.
چرخه‌های حرارتی کنترلشده، ریزساختارهای همگنی تولید می‌کنند که قادر به تحمل بیش از 50,000 چرخه تنش در متهای ضربه‌ای هستند. تحقیقات نشان می‌دهد که مارتنزیت بازپخته با کاربیدهای ریز، استحکام خستگی را نسبت به ساختارهای پرلیتی تا 27 درصد افزایش می‌دهد. این پایداری از گسترش ترک در مناطق پرتنش مانند شیارهای مته جلوگیری کرده و به‌طور قابل توجهی عمر مفید قطعه را بهبود می‌بخشد.
پروفیل‌دهی حرارتی پیشرفته، گرادیان‌های تدریجی سختی ایجاد می‌کند – ۶۴ HRC در لبه‌های برشی که به ۵۴ HRC در دماغه‌های تحمل‌کننده بار تبدیل می‌شود. این گرادیان مهندسی‌شده، حوادث شکست تنشی را در کاربردهای تونل‌زنی تا ۷۳٪ کاهش می‌دهد و در عین حال عملکرد سایشی را حفظ می‌کند، همان‌طور که با آنالیز المان محدود الگوهای خرابی تأیید شده است.
سه فرآیند عملیات حرارتی – نرمالیزاسیون، سردکردن و تمپر کردن – ستون فقرات مهندسی متالورژیکی در ساخت مته‌های سنگ را تشکیل می‌دهند. این فرآیندها خواص مواد را برای شرایط شدید معادن بهینه می‌کنند و تعادلی بین سختی سطحی و مقاومت ساختاری ایجاد می‌کنند.
نرمال‌سازی شامل گرم کردن فولاد به دمای 890 تا 950 درجه سانتیگراد و سپس خنک‌سازی کنترلشده در هوای آزاد است. این فرآیند مرزهای دانه‌ها را پالایش کرده و ناهماهنگی‌های ناشی از ماشینکاری یا شکل‌دهی قبلی را از بین می‌برد. برای مته‌های سنگ‌شکن، یک ساختار ریز یکنواخت، مقاومت یکسان در برابر شکست را در سطوح حفاری تضمین می‌کند. مطالعات صنعتی (2024) نشان می‌دهند که قطعات نرمال‌سازی‌شده در برابر نیروهای ضربه‌ای تکرارشونده 23 درصد طولانی‌تر از معادل‌های بدون پردازش مقاومت می‌کنند.
وقتی فولاد پس از گرم شدن بین ۸۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتیگراد در آب یا محلول‌های پلیمری به سرعت خنک می‌شود، به مقادیر سختی ویکرز بالاتر از ۶۰۰ HV می‌رسد. این تغییر ناگهانی دما باعث آنچه تبدیل مارتنزیتی نامیده می‌شود می‌گردد. در واقع، ساختار کریستالی فلز تغییر می‌کند و سطوح بسیار سختی ایجاد می‌شود که برای برش مواد سخت مانند گرانیت و رسوبات سنگ‌آهن لازم است. با این حال، تنظیم دقیق خنک‌سازی بسیار مهم است. اگر شرایط خنک‌سازی بیش از حد شدید باشد، ترک‌های ریزی ایجاد می‌شود و قطعات ممکن است تاب بخورند، به‌ویژه در کاربردهای تولیدی که شامل اشکال و طراحی‌های پیچیده هستند.
دمپزی در دمای 200 تا 450 درجه سانتیگراد با اجازه دادن به تجزیه جزئی مارتنزیت به ساختارهای انعطاف‌پذیرتر فریت-کاربید، فولاد کوئنچ‌شده را پایدار می‌کند. این فرآیند که 2 تا 4 ساعت طول می‌کشد، شکنندگی را 35 تا 50 درصد کاهش می‌دهد و در عین حال 85 تا 90 درصد از سختی اولیه را حفظ می‌کند (داده‌های آزمون مواد، 2023). برای مته‌های سنگ‌خرید، این تعادل از شکست‌های ناگهانی هنگام برخورد با لایه‌های سخت غیرمنتظره جلوگیری می‌کند.
هنگامی که فولاد عملیات بازپخت را طی می‌کند، فاز آستنیت به مارتنزیت تبدیل می‌شود که ساختار سوزنی مشخصی دارد و باعث افزایش سختی فلز می‌گردد. تحقیقات نشان می‌دهد که این تبدیل می‌تواند سختی سطحی را بین ۴۰ تا ۶۰ درصد نسبت به فولاد معمولی و بدون پردازش افزایش دهد، مطابق یافته‌های منتشر شده در مجله Acta Mater در سال ۲۰۱۷. تجهیزات پیشرفته امروزی، سرعت‌های سردشدنی بالاتر از ۲۰۰ درجه سانتیگراد در ثانیه را مدیریت می‌کنند و به‌طور مؤثری از تشکیل ساختارهای نرم‌تری مانند فریت جلوگیری می‌کنند. اپراتورهای مجرب باید سرعت سردشدن را بر اساس ضخامت دقیق هر قطعه تحت درمان تنظیم کنند، زیرا رعایت این تعادل به جلوگیری از ایجاد ترک در حین فرآیند کمک می‌کند.
دمپخت پس از سردکردن سریع در دمای حدود ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد باعث تشکیل کاربیدهای نیکل-کروم به‌صورت کنترلشده در مرزهای دانه‌ها می‌شود. این موضوع از نظر عملی به چه معناست؟ خُب، موادی که به این شکل پردازش شده‌اند، مقاومت ضربه‌ای حدود ۳۵ درصد بهتری نسبت به مواد تصفیه‌نشده دارند، در حالی که سختی آنها در حدود ۵۸ تا ۶۲ در مقیاس HRC حفظ می‌شود؛ همان‌طور که در تحقیقی که در سال ۲۰۱۵ در مجله J. Mater. Sci. Technol منتشر شده است، ذکر شده است. ریزساختار حاصل از این فرآیند، شروع و گسترش ترک‌ها در ماده را بسیار دشوارتر می‌کند. این موضوع زمانی که در مورد عملیات حفاری صحبت می‌کنیم و تجهیزات باید روزانه با سنگ‌آهن فوق‌العاده ساینده کار کنند، اهمیت بسیار زیادی دارد. بررسی آزمایش‌های واقعی انجام‌شده در مناطق معدنی مس شیلی چیز جالب دیگری را نیز نشان می‌دهد: قطعات دمپخته تحت نیروهای ضربه‌ای حدود ۱۵۰ مگاپاسکال در حین کار، عمری تقریباً دو و نیم برابر بیشتر از قطعات خنک‌شده در هوای آزاد دارند.
فشار های باقیمانده از جعل و ماشینکاری می تواند منجر به شکستگی زودرس شود. تجزیه و تحلیل چاه های شکست خورده حفاری نشان داد که 72 درصد از آن ها در غلظت های استرس غیرمعالجه در نزدیکی اتصال های رشته ای ایجاد شده است. گرم کردن فشار کم در 550 درجه سانتیگراد برای 90 دقیقه فشار بقایی اوج را از 850 MPa به کمتر از 200 MPa کاهش می دهد و به طور چشمگیری طول عمر خستگی در حفاری پرکوسوی ارتعاش بالا را بهبود می بخشد.
چرخه های گرمایش و خنک سازی کنترل شده، تحریف حرارتی را به حداقل می رسانند که برای مجموعه هایی که نیاز به تحمل در حدود 0.05 میلی متر دارند، حیاتی است. کوره های خلاء مدرن یکسانی دمای ±5 °C را حفظ می کنند و ثبات ابعاد ±0.02٪ را در قطعات 300 میلی متر طول می دهند. این دقت از شکست مهر و موم در سیستم های هیدرولیکی جلوگیری می کند، جایی که حتی 0.1 میلی متر اشتباه می تواند باعث نشت مایع در فشار های عملیاتی 250 بار شود.
مزایای اصلی درمان حرارتی برای حفاری سنگ چیست؟
عملیات حرارتی با افزایش سختی، مقاومت در برابر سایش و مقاومت به خستگی مته‌های سنگ را بهبود می‌بخشد. این عملیات عمر و عملکرد آنها را در شرایط سخت معادن افزایش می‌دهد.
تفاوت بین عملیات سخت کاری (کوئنچینگ) و تمپر کردن چیست؟
در عملیات سخت کاری (کوئنچینگ)، فولاد گرم شده به سرعت خنک می‌شود تا ساختار سخت مارتنزیتی ایجاد شود، در حالی که تمپر کردن شکنندگی را کاهش داده و چقرمگی را با تجزیه بخشی از مارتنزیت به ساختارهای فریت-کاربیدی بهبود می‌بخشد.
عملیات حرارتی چگونه از خرابی زودهنگام مته جلوگیری می‌کند؟
فرآیندهای عملیات حرارتی مانند آنیل کردن رهایی از تنش، تنش‌های باقیمانده‌ای را که می‌توانند باعث ترک خوردگی شوند، کاهش می‌دهند. این امر دوام کلی و عمر خستگی مته‌ها را بهبود می‌بخشد.
EN