煤炭作为我国的主要能源资源,在化石能源资源量中占 95%,其总产量及消费量占世界总量的 30%左右。 根据我国 《能源发展战略行动计划(2014—2020)》,我国以煤为基础、多元发展的能源方针不会改变。1987 年,我国煤炭勘探深度表明:至地下 2km 深度处预测总资源量约 4.5×e12 t,其中 1000~2000m 埋深段煤炭预测量为 53.2%,煤炭资源开发由浅部到深部发展是客观的必然规律。随着煤矿井开采深度增加,顶底板另有砂岩、砂质页岩、硅质灰岩等岩石可钻性 8~9 级的硬及坚硬岩石。反井施工作为采矿工程中大直径关键通道(如通风井、沿深井筒、溜煤眼等)的主流方向,滚刀则是破岩刀具,其材料选型及力学性能优化对于反井施工的广泛应用至关重要。因此,论文在广泛阅读和钻研国内外滚刀刀体材料相关理论、热处理工艺的基础上,以大直径反井工程硬岩钻进为背景,对滚刀的刀体材料进行了优化选型,并通过经验公式推导、热处理过程仿真、室内实验完成了刀体热处理工艺的两方面研究。实验结果如下:滚刀刀体是滚刀钻头抓握硬质合金球齿、滚动切削的载体,通过对比分析七组同类材料的组分及性能,选定 4330V 为滚刀刀体优型材料。采用 JMat Pro 热处理模拟 4330V 钢的TTT 曲线、CCT 曲线及淬火相图,将模拟结果与理论计算作比较,制定合理的调质热处理对照实验方案。经计算,4330V 的奥氏体化温度为780℃,比JMat Pro模拟结果高30℃,JMat Pro热处理仿真计算TTT、CCT 曲线及淬火相图表明,油冷淬火能得到完全马氏体。实验用 4330V 钢球化退火组织为铁素体+粒状珠光体,短棒状渗碳体均匀弥散分布于基体中,渗碳体粒径约 0.37μm 。淬火温度对调质热处理的影响较小,回火温度对调质热处理的影响较大,调质后均得到回火索氏体组织。回火温度升高,回火索氏体中铁素体向小块状转变,合金碳化物逐渐球化长大,材料的抗拉强度、屈服强度、布氏硬度均单调下降: 抗拉强度最高1350MPa,屈服强度最高 1250MPa,布氏硬度最高393HBW。然而,冲击功呈单调上升趋势,最高为109.35J,涨幅约99.4%。在本实验条件下,满足 4330V 目标性能的最优调质热处理工艺为:880℃×2h油淬+620℃×3h 水淬,其抗拉强度 1131MPa,屈服强度 1067MPa,冲击功 97.7J,布氏硬度 341HBW。