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采煤機截齒復合滲硼替代焊接硬質(zhì)合金

時間:2014-04-23 作者 :admin
金屬滲硼層具有良好的抗磨性和紅硬性,不足之處是脆性較大[2]。一方面是由于金屬滲硼層較?。ㄍǔ?0~150μm左右),而其線膨脹率與基體差別大,一旦受力、受熱,容易剝落;另一方面由于金屬滲硼層硬度太高(尤其是FeB可達2200~2400HV),一旦受到?jīng)_擊就可能發(fā)生崩落。倘若采用深層滲硼且使其鋸齒狀組織嵌入基體,就可以將其應用于重載采煤機截齒。如此,不但可以改善采煤機的工作條件,而且和截齒焊接硬質(zhì)合金比較還可以降低生產(chǎn)成本,提高經(jīng)濟效益。本文試圖就該設想的可行性進行研究,以擴大滲硼應用范圍。 
 
1 滲硼試驗 
 
1.1 滲劑的選擇 
 
選用固體滲硼法作為采煤機截齒復合滲硼方式。 
 
試驗設備:KSY-12-16型箱式電阻爐、XJT-1型金相顯微鏡。 
 
通過幾種滲硼劑、滲硼厚度、金屬滲硼層金相結構以及外觀形貌的試驗比較,我們選擇如下滲劑:15%B4C+10%Na2SiF6+2%KBF4+73%SiC。 
 
1.2 截齒材料的選擇 
 
采煤機截齒不僅工作環(huán)境惡劣,而且還要承受沖擊載荷和剪切應力。所以,基材的選擇應該既能達到一定的滲層厚度和較好的綜合力學性能,又能有較好的強度和韌性。為此,用20鋼、45鋼、40Cr鋼、T8鋼及T12鋼進行比較試驗。通過試件的滲硼厚度、滲硼層外觀形貌以及基材碳含量對滲硼層性能等多項結果比較[2],最后選擇45鋼為截齒基體材料。 
 
1.3 稀土元素對滲硼效果的影響 
 
用我們選擇的滲劑不僅可以獲得較深的滲層,而且滲層的質(zhì)量也較好,唯一的缺陷是工藝周期太長,約需20h。為此,在滲劑中適量加入了稀土元素,以期縮短滲硼時間、提高基體性能和減少能耗[3]。結果表明,加入10%的稀土元素,可使?jié)B硼速度提高20%~30%。此外,稀土催滲,不僅使?jié)B層化合物深度增加,而且還使擴散層明顯加深。 
 
1.4 滲硼工藝的正交分析 
 
采煤機截齒工作條件復雜,煤體雖軟但其中常常夾著矸石、黃鐵礦、石英等硬料。既然要求截齒具有很強的抗沖擊和抗磨損能力,就必須對滲硼層厚度提出要求。故此,用正交試驗法對滲硼工藝進行了優(yōu)選。對應的正交設計因素及水平見表1。
表1 滲硼正交設計因素表 
因素記號水平號123B4CAA1=5%A2=10%A3=15%Na2SiF6BB1=5%B2=10%B3=15%KBF4CC1=2%C2=4%C3=6%滲硼溫度/℃DD1=850D2=950D3=1050保溫時間/hEE1=8E2=16E3=24
注:對于稀土元素,為減少影響因素使分析簡單,僅考慮其催滲作用,故在此表中不加以體現(xiàn);A、B、C分別為滲劑中B4C、Na2SiF6、KBF4在滲劑中的百分比含量,D為滲硼溫度,E為保溫時間。通過試驗[4],最后得到最佳滲劑配方及工藝條件: 
 
15%B4C+10%Na2SiF6+2%KBF4+73%SiC;滲硼溫度為950℃,保溫時間為16h。對應的滲硼層厚度為850μm,其金相組織見圖1。
 
圖1 截齒復合滲硼后的金相組織2 現(xiàn)場試驗 
 
為了檢驗采用復合滲硼技術處理的采煤機截齒工作效果,經(jīng)試驗室的抗壓性能試驗、抗扭性能試驗、抗沖擊性能試驗以及抗磨損性能試驗后,我們加工了50個截齒(復合滲硼處理),送至河南平頂山煤業(yè)集團進行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗,現(xiàn)將有關情況概述如下。 
 
2.1 試驗方式及條件 
 
將16個滲硼截齒依次安裝在MG-150型采煤機滾筒靠煤壁的端頭。其中8個截齒按不同的傾角安裝。煤層厚度H=1.8m,煤的硬度f=1.5,煤灰粉含量:Ad20,夾矸率:1/20,發(fā)熱量:5300J,采煤機滾筒直徑:1.4m,滾筒一次切割深度:0.5m。 
 
2.2 截齒磨損情況比較 
 
經(jīng)過為期10天的現(xiàn)場工業(yè)性試驗,16個試驗截齒總體工作狀況良好。圖2為試驗前(右)后(左)滲硼截齒外觀形貌比較;圖3為試驗前(左)后(右)同機工作的普通截齒外觀形貌比較。
 
圖2 試驗前后滲硼截齒外觀形貌比較
 
圖3 試驗前后同機工作的普通截齒外觀形貌比較從圖2、3可以看出,截齒的破壞形式主要還是磨粒磨損。這主要是由于煤的硬度和夾矸率較低所致。 
 
但是,比較試驗結果普通截齒明顯比滲硼截齒磨損嚴重。對于普通截齒,尤其是靠近煤壁的截齒,由于齒體材料抗磨損性能相對較低,而且齒面發(fā)熱加速了齒體磨損,使截齒磨損加劇,硬質(zhì)合金刀頭裸露。而對于滲硼截齒,由于截齒整個齒面均已滲硼(1600~1800HV),抗磨損性能顯著增強,延長了截齒的工作壽命。 
 
3 結論 
 
經(jīng)上述分析和試驗,采用復合滲硼技術替代采煤機截齒焊接硬質(zhì)合金工藝,不僅技術上可行,而且經(jīng)濟上也比較合理。經(jīng)初步測算,復合滲硼處理的截齒較普通截齒可以降低成本40%,并且滲硼截齒除了可改善截齒工作條件外,還延長壽命2~3倍。此外,采用滲硼

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