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提高截齒性能的技術(shù)途徑
 
摘 要:根據(jù)礦用截齒的損壞形式,分析其失效的原因,通過在硬質(zhì)合金、截齒體材質(zhì)、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(shù)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(nèi)截齒損壞形式的調(diào)研和對一些國內(nèi)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(xiàn)多數(shù)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(chǎn)合金中有石墨雜質(zhì),晶粒分布不均勻,部分合金中有裂紋,這是造成硬質(zhì)合金頭崩裂的主要原因;其次是國產(chǎn)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(shù)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)部有潛在裂紋。有的截齒在工作時不能自轉(zhuǎn),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(chǎn)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(zhì)量性能不穩(wěn)定和截齒熱處理工藝不當?shù)仍?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(xiàn)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(zhì)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(zhì)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(zhì)截齒的釬焊焊縫的剪切強度 ≥230 MPa ,另外要求焊縫內(nèi)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(zhì)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(zhì)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(shù)途徑
2 . 1　抗沖擊、耐磨、無裂紋的硬質(zhì)合金刀頭研制
在硬質(zhì)合金研究方面,與株洲硬質(zhì)合金廠合作,對硬質(zhì)合金進行了研究。通過對國內(nèi)外硬質(zhì)合金刀頭的解剖分析,得出國外合金與國產(chǎn)合金的3項性能(磁力、比重、硬度)基本接近。在合金的顯微結(jié)構(gòu)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(chǎn)刀頭合金,主要是由于國產(chǎn)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(zhì)合金新材質(zhì)新工藝進行了研究。研制的截齒刀頭選用了優(yōu)質(zhì)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(shù)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(zhì)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(zhì)合金刀頭釬焊工藝在齒體圓周形成的性能劣化現(xiàn)象（指先熱處理后釬焊工藝生產(chǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)換為或部分轉(zhuǎn)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(zhì)的研究
目前國內(nèi)掘進機截齒刀體的材料多為合金結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(diào)質(zhì)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(jié)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(jié)構(gòu)鋼比35CrMnSiA合金結(jié)構(gòu)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(guān)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(zhì)合金的異種材料焊接,考慮硬質(zhì)合金的線膨脹系數(shù)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(jié)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(zhì)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(zhì)量和壽命的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國內(nèi)截齒的生產(chǎn)工藝一般為以下2種:
(1)截齒體加工成形 →釬焊硬質(zhì)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(zhì)合金頭 →回火。第1種生產(chǎn)工藝,釬焊硬質(zhì)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(zhì)合金頭在釬焊和硝鹽等溫淬火這一過程中,都經(jīng)過了2次加熱,從而使硬質(zhì)合金頭脆化,使截齒在使用過程中因硬質(zhì)合金頭崩裂和硬質(zhì)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(chǎn)工藝,硝鹽等溫淬火后釬焊硬質(zhì)合金頭,雖然焊縫的質(zhì)量和硬質(zhì)合金頭的質(zhì)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(zhì)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(chǎn)生氧化,可使熔化的液態(tài)釬料與釬焊表面直接接觸,產(chǎn)生濕潤的填縫,以獲得優(yōu)質(zhì)的釬焊質(zhì)量。

(2)使釬焊好的截齒不經(jīng)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(zhì)合金刀頭 →烘干 →裝填焊料、硬質(zhì)合金刀頭 →將截齒裝入夾具內(nèi) →入爐加熱 →冷卻。

3　結(jié)語
通過上述技術(shù)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(chǎn)截齒的質(zhì)量基本能達到進口截齒的質(zhì)量水平,甚至可以完全替代進口截齒。