提高截齒性能的技術途徑
 
摘 要:根據礦用截齒的損壞形式,分析其失效的原因,通過在硬質合金、截齒體材質、截齒體耐磨堆焊、焊縫間隙、釬焊及熱處理工藝等方面的研究,尋找出提高礦用截齒性能的技術途徑,為截齒的研制工作提供了參考。
 

1　截齒損壞形式分析
通過對國內截齒損壞形式的調研和對一些國內外截齒的解剖分析及抗沖擊性能試驗,截齒失效原因主要有以下幾方面:

1 . 1　抗沖擊性能低
通過大量觀察損壞的截齒,發(fā)現多數截齒的損壞不是正常磨損失效,尤其在硬巖截割中更為嚴重。原因如下。
(1)合金刀頭的性能差。國產合金中有石墨雜質,晶粒分布不均勻,部分合金中有裂紋,這是造成硬質合金頭崩裂的主要原因;其次是國產合金壓制工藝比較落后,合金上下密度差大、孔隙多、硬度低。
(2)合金頭釬焊殘余應力大。由于合金刀頭與齒體材料的熱膨脹系數相差較大,且冷卻時的收縮差隨釬焊溫度的增大而增大。國產截齒多采用銅鋅釬料,其焊接溫度達950℃以上,焊接殘余應力較大。
(3)截齒齒體頭部崩裂和偏磨使合金頭過早失去保護支撐。其原因主要是國產原材料性能不穩(wěn)定,部分原材料中心疏松嚴重,使截齒體內部有潛在裂紋。有的截齒在工作時不能自轉,往往造成齒體的偏磨。

1 . 2　耐磨性差
耐磨性是指合金刀頭和齒頭部的耐磨性能。國產截齒合金一般含鈷量偏高,組織不完整,密度低,硬度不高,致使截齒合金刀頭耐磨性能差。而截齒頭部則是由于原材料質量性能不穩(wěn)定和截齒熱處理工藝不當等原因,造成截齒頭部有裂紋,硬

度偏低,影響其耐磨性。

1 . 3　掉合金頭
截齒掉合金頭是截齒失效的主要形式之一。截齒掉合金頭現象分為早期、中期和后期掉合金頭。其中早期掉合金頭所造成的危害最大,截齒在很短的工作時間里,釬焊在截齒體上的硬質合金刀頭便從截齒體上掉下,致使截齒提前報廢。截齒的早期和中期掉合金頭的原因主要是焊縫質量差,強度低,截齒體加工尺寸控制不嚴,造成焊縫間隙過大或過小,致使焊料流動困難,從而造成合金頭“擠死”或“缺焊”。為此我國頒發(fā)的煤炭行業(yè)標準MT246 -1996《煤礦用截齒》中對截齒的焊縫提出了要求,要求釬焊焊縫的剪切強度 ≥180 MPa ,優(yōu)質截齒的釬焊焊縫的剪切強度 ≥230 MPa ,另外要求焊縫內焊料充盈度不小于80 %。截齒掉合金頭另外的原因就是合金頭釬焊工藝不當和焊前處理不好。截齒的后期掉合金頭是因為截齒體前端的過度磨損使得硬質合金刀頭過分突出,焊縫面積減小,從而導致焊縫強度不夠造成截齒掉合金頭。因此,要解決截齒后期掉合金頭,除了提高釬焊質量和焊縫強度外,更重要的是提高截齒體前端的耐磨性。

2　提高截齒性能的技術途徑
2 . 1　抗沖擊、耐磨、無裂紋的硬質合金刀頭研制
在硬質合金研究方面,與株洲硬質合金廠合作,對硬質合金進行了研究。通過對國內外硬質合金刀頭的解剖分析,得出國外合金與國產合金的3項性能(磁力、比重、硬度)基本接近。在合金的顯微結構上,也很難看出兩者有很大差距。但是國外刀頭的耐沖擊性和耐磨性比較明顯地優(yōu)于國產刀頭合金,主要是由于國產刀頭合金原料純度低,粉末成型工藝落后造成的。為此,對硬質合金新材質新工藝進行了研究。研制的截齒刀頭選用了優(yōu)質原料,改進成型工藝和合金制取工藝(高純鎢粉、高溫還原、高溫碳化)等3條技術措施,提高了截齒刀頭的壽命。研制的合金具有高韌性、高耐磨性和高沖擊性。

2.2耐磨層的堆焊


為了解決截齒在采煤過程中的快速磨損失效問題，采用堆焊方式（或其他冶金方式）在截齒錐頂（硬質合金刀頭）以下齒體部位，沿圓周方向堆焊一個寬度約20-30mm、厚度2-3mm的環(huán)形帶。此環(huán)形帶即稱之為耐磨堆焊層。常用的耐磨堆焊材料為馬氏體堆焊合金（Ｄ３１７，Ｄ３２７，ＤＧ７等）、高鉻Fe-Cr-C合金系（Ｄ６８８，Ｄ６３８等）、碳化鎢、碳化鈮（北京固本牌KB515）等。從機理上講，截齒耐磨堆焊層的作用是：1、彌補或改變因硬質合金刀頭釬焊工藝在齒體圓周形成的性能劣化現象（指先熱處理后釬焊工藝生產的截齒）。2、進一步優(yōu)化或強化刀頭部分使用性能。當然，采用先釬焊刀頭后整體熱處理截齒的制造工藝時，后者的作用更為突出。然而，實際情況并不簡單，截齒耐磨堆焊層的出現和使用，將截齒刀頭與被切割煤巖之間的磨擦、沖擊等作用，轉換為或部分轉換為堆焊層與被切割煤巖之間的磨擦、沖擊等作用。它們之間的磨擦磨損、沖擊損傷等，不僅取決于兩個接觸體材料的特性及其匹配行為，同時還受到采煤過程中諸多因素的影響。

2 . 3　刀體材質的研究
目前國內掘進機截齒刀體的材料多為合金結構鋼35CrMnSiA ,這種材料在淬火低溫回火或等溫淬火后,有較高的綜合機械性能,但該材料橫向性能比縱向性能差,有明顯的回火脆性等缺陷。為此,進行了用42CrMo合金結構鋼作為截齒體材料的研究。42CrMo同樣屬于中淬透合金鋼,該鋼無回火脆性,調質后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力,與35CrMnSiA合金鋼相比,更適合截齒的受力特性,試驗結果表明,該鋼制作的齒體頭部的抗裂性能和沖擊韌性要比35CrMnSiA鋼種好。因此,42CrMo合金結構鋼比35CrMnSiA合金結構鋼更適宜作截齒材料。

2 . 4　焊縫間隙的研究
截齒釬焊焊縫間隙的大小是影響焊縫致密性和焊縫強度的關鍵因素。間隙太小,妨礙釬焊料流入;間隙過大,破壞釬焊縫的毛細管作用,使釬料不能填滿焊縫間隙。截齒的釬焊,是鋼與硬質合金的異種材料焊接,考慮硬質合金的線膨脹系數是鋼的1Π2～1Π3 ,因此釬焊縫間隙應比鋼對鋼焊接時稍小。通過對幾組不同間隙


焊縫的試驗研究,試驗結果表明截齒焊縫間隙一般為0. 08～0. 15 mm為宜,另外最好采用帶錐面的合金頭和帶錐面的截齒體孔,以盡量保證硬質合金刀頭周圍焊縫間隙均勻一致。

2 . 5　釬焊及熱處理工藝研究截齒的釬焊及熱處理工藝是保證強力截齒質量和壽命的關鍵技術之一。目前國內截齒的生產工藝一般為以下2種:
(1)截齒體加工成形 →釬焊硬質合金頭 →鹽爐加熱 →硝鹽等溫淬火 →回火。(2)截齒體加工成形 →鹽爐加熱 →硝鹽等溫淬火 →清洗 →釬焊硬質合金頭 →回火。第1種生產工藝,釬焊硬質合金頭后鹽爐加熱再硝鹽等溫淬火。截齒體的硬度得到了保證,但硬質合金頭在釬焊和硝鹽等溫淬火這一過程中,都經過了2次加熱,從而使硬質合金頭脆化,使截齒在使用過程中因硬質合金頭崩裂和硬質合金頭與截齒體焊接的開裂而大大縮短截齒的使用壽命。第2種生產工藝,硝鹽等溫淬火后釬焊硬質合金頭,雖然焊縫的質量和硬質合金頭的質量得到了保證,但截齒體頭部的硬度卻下降了,導致截齒體頭部耐磨性大大降低,使得截齒在使用過程中硬質合金頭過早脫落,同樣也縮短了截齒的使用壽命。為此,采用截齒真空爐釬焊與熱處理同時一次加熱,使釬焊好的截齒直接進行淬火的工藝。該工藝具有以下顯著特點:(1)采用真空爐加熱釬焊,避免了釬焊過程中釬焊表面與空氣接觸產生氧化,可使熔化的液態(tài)釬料與釬焊表面直接接觸,產生濕潤的填縫,以獲得優(yōu)質的釬焊質量。

(2)使釬焊好的截齒不經空冷直接淬火,避免了二次加熱問題,又提高了齒體的綜合機械性能。截齒的真空釬焊工藝流程為:清洗截齒體待焊部分、釬料和硬質合金刀頭 →烘干 →裝填焊料、硬質合金刀頭 →將截齒裝入夾具內 →入爐加熱 →冷卻。

3　結語
通過上述技術措施研制的礦用截齒被應用于EBJ - 120TP型掘進機上,在平頂山煤業(yè)集團一礦進行的井下工業(yè)性試驗中取得了好的效果。試驗期間共掘進進尺792 m ,掘進斷面13 m2,其中巖巷進尺45 m ,半煤巖巷進尺40 m ,巖石硬度f = 6～8的條件下,截齒共消耗5把,折合0. 0006把Πm3(實體) 。截齒消耗低于原所用截齒的指標,其抗磨損性能和抗沖擊性能有了較大的提高。研究成果表明,我國截齒研究制造水平上了一個新臺階,國產截齒的質量基本能達到進口截齒的質量水平,甚至可以完全替代進口截齒。