采煤機(jī)截齒的選材與制造工藝

程巨強(qiáng)

（西安工業(yè)大學(xué)材料與化工學(xué)院，陜西 西安 710032）

截齒是煤礦采煤機(jī)及礦山巷道掘進(jìn)機(jī)械中使用的刃具，截齒質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響采掘機(jī)的效率和企業(yè)的生產(chǎn)成本，隨著人們對(duì)能源特別是煤炭需求的增加，為了提高采掘效率，采煤機(jī)功率不斷增大，對(duì)截齒的質(zhì)量要求越來(lái)越高，作為采煤機(jī)截齒材料，要求其具有較高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性、高的彎曲強(qiáng)度及耐腐蝕性，以防止截齒使用過程中產(chǎn)生斷裂、彎曲、變形和早期磨損失效。從對(duì)國(guó)內(nèi)外截齒產(chǎn)品調(diào)查情況，國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的截齒消耗率，綜采一般為80～200把/萬(wàn)噸，而國(guó)外截齒綜采損耗率20把/萬(wàn)噸[1]。2011年中國(guó)煤炭產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到38億噸以上，可以看出，作為機(jī)械化采煤的刀具，截齒的消耗量非常大，因此，為降低采煤機(jī)截齒消耗，研究新型的高強(qiáng)度截齒材料，提高截齒的使用壽命，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，具有重要的意義。本文論述了采煤機(jī)截齒材料選擇及其生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，為采煤機(jī)截齒的選材及制定制造工藝提供依據(jù)。

1 截齒的工作原理及失效形式

采煤機(jī)工作時(shí)是借助于安裝在旋轉(zhuǎn)滾筒上的截齒實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層切割和開采工作，在截割煤巖的過程中，截齒承受煤層高的周期性壓應(yīng)力、剪應(yīng)力和沖擊載荷，截齒的失效形式主要有[2]～[5]：齒體的磨損、變形、斷裂、齒頭硬質(zhì)合金破碎及脫落等。影響截齒使用壽命的因素較多，如截齒的幾何形狀、齒尖的角度、裝夾情況、采煤條件等，但主要的影響因素是截齒材料。截齒的主要失效形式主要有以下幾種。

（1）磨損與斷裂失效

截齒在切割煤層過程中與煤層產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦和磨料磨損，文獻(xiàn)[6]分析了鎬型截齒應(yīng)力分布規(guī)律，截齒受力最大的應(yīng)力點(diǎn)是在截齒工作部分的頭部，此處磨損最為嚴(yán)重，導(dǎo)致截齒褲體產(chǎn)生磨損而失效，實(shí)際煤炭生產(chǎn)中截齒約有50%的截齒失效是由磨損造成的[7]。圖1a是安裝在滾筒上磨損失效截齒形貌，可以看出，截齒褲體產(chǎn)生較大的磨損，導(dǎo)致截齒頭部硬質(zhì)合金顯露。圖1b是截齒斷裂失效的照片，可以看出，和圖1a相比，雖然截齒磨損較少，但會(huì)產(chǎn)生截齒的斷裂，產(chǎn)生截齒斷裂的原因是截齒截割煤巖時(shí)在沖擊載荷的作用下，刀頭處于高壓應(yīng)力狀態(tài)，若遇到煤巖中堅(jiān)硬的煤矸石等，在齒刃與煤巖接觸時(shí)承受高的剪應(yīng)力，當(dāng)剪應(yīng)力超過合金的強(qiáng)度極限時(shí)發(fā)生斷裂，產(chǎn)生斷裂的原因有截齒材料的強(qiáng)度較低，或截齒材料內(nèi)部或表面存在缺陷，工作時(shí)這些缺陷可以作為裂紋源，在應(yīng)力的作用下，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展而發(fā)生斷裂，從斷裂照片可以看出，截齒斷裂裂紋源在截齒表面，裂紋形成后向內(nèi)部擴(kuò)展，因此作為截齒材料應(yīng)該具有較高的強(qiáng)度和韌性，截齒加工時(shí)要避免內(nèi)部和表面存在缺陷，提高截齒表面加工質(zhì)量可以避免截齒的斷裂。

（2）硬質(zhì)合金齒頭的破碎及脫落

截齒截割煤巖時(shí)，若遇到煤巖中堅(jiān)硬的礦料，刀頭處于高壓應(yīng)力狀態(tài)，在齒刃與煤巖接觸不良處會(huì)承受高的剪應(yīng)力，處于拉應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)拉應(yīng)力超過合金的強(qiáng)度極限時(shí)即發(fā)生刀頭的碎裂。截齒在使用過程中，當(dāng)截齒磨損到一定程度后，其齒尖的硬質(zhì)合金將脫落，硬質(zhì)合金脫落分為早期脫落和后期脫落，其中早期脫落的危害最大，截齒在很短的工作時(shí)間里，釬焊在齒體上的硬質(zhì)合金刀頭便從齒體上掉下，致使截齒提前報(bào)廢，圖1c是片狀截齒硬質(zhì)合金脫落及磨損失效的照片，硬質(zhì)合金的脫落與齒頭的釬焊質(zhì)量差有關(guān)，如焊接處存在夾砂，微裂紋等造成焊縫抗剪強(qiáng)度低。硬質(zhì)合金的脫落還與焊縫間隙的大小不合理有關(guān)，釬焊時(shí)焊料的使用量少，造成虛焊導(dǎo)致硬質(zhì)合金頭松動(dòng)，而發(fā)生齒頭脫落。從截齒褲體材料來(lái)看，產(chǎn)生硬質(zhì)合金刀頭脫落的原因與截齒庫(kù)體工作部分硬度偏低，耐磨性差有關(guān)，包持硬質(zhì)合金部分截齒過快的磨損，造成包持力不夠，硬質(zhì)合金脫落。因此通過提高截齒工作部分硬度和提高釬焊質(zhì)量，可以避免硬質(zhì)合金的脫落。

圖1 截齒的失效形貌

2 截齒材料的種類及其性能特點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)外常用的截齒材料合金系列主要有Cr-Mo系、Mn-B系、Cr-Ni-Mo 系、Cr-Mn-Si系、Si-Mn-Mo系等，從生產(chǎn)方法來(lái)看主要有鑄造截齒材料和鍛造截齒材料。表1是常用截齒材料及其性能特點(diǎn)[8]～[12]，從表 1可以看出，作為截齒材料含碳量在0.30～0.45之間，為中碳低合金鋼。表2是國(guó)家煤炭行業(yè)采掘機(jī)械用截齒標(biāo)準(zhǔn)（MT/T246-2006）對(duì)截齒的性能要求，作為截齒材料，齒頭、齒柄、沖擊韌性及其焊縫剪切強(qiáng)度指標(biāo)均需達(dá)到一定的要求。

表1 截齒材料化學(xué)成分 %

表2 截齒表面硬度、沖擊韌性和釬焊焊縫剪切強(qiáng)度

Cr-Mo系截齒材料典型鋼種為42CrMo鋼，它具有高的強(qiáng)度、良好的淬透性，在高溫時(shí)有高的蠕變和持久強(qiáng)度等特點(diǎn)。42CrMo材質(zhì)齒體常規(guī)的熱處理工藝為840℃油淬+360～400℃回火，熱處理后所得組織為回火馬氏體，具有較高的疲勞極限和抗多次沖擊的能力，低溫沖擊韌性良好。實(shí)際生產(chǎn)中如果熱處理不當(dāng)會(huì)造成心部韌性較低，表面機(jī)械加工質(zhì)量較差容易引起鎬形截齒在使用過程中柄部斷裂[13]。

Cr-Mn-Si系截齒材料典型代表為35CrMnSi，截齒材質(zhì)的常規(guī)熱處理工藝主要有兩種，一種為880℃油淬+380～430℃回火，獲得貝氏體、馬氏體和少量殘余奧氏體組織，具有較高硬度和耐磨性；另一種熱處理工藝為880℃加熱+280～350℃等溫淬火，35 CrMnSi鋼等溫淬火熱處理后獲得馬氏體、貝氏體、殘留奧氏體的復(fù)相組織，獲得較高的強(qiáng)度（σb≥1600MPa）、硬度（HRC≥42）和韌性（aku≥60J/cm2），能適應(yīng)采煤生產(chǎn)較復(fù)雜的工況條件。35 CrMnSi鋼采用850℃淬火、340℃等溫時(shí)，可以使35 CrMnSi截齒壽命較之前提高1.5倍[14]。

40CrNiMo合金結(jié)構(gòu)鋼具有高的強(qiáng)度、韌性和良好的淬透性和抗過熱的穩(wěn)定性，但白點(diǎn)敏感性高，有回火脆性，一般調(diào)質(zhì)態(tài)使用，可配合表面處理，如滲硼等，提高截齒表面硬度，提高耐磨性。

Si-Mn-Mo系截齒材料牌號(hào)為30SiMn2Mo，880℃正火+回火熱處理工藝。熱處理后可獲得較高的強(qiáng)度（σb≥1650MPa）、 硬度 （HRC≥45） 和韌性（aku≥62J/cm2），組織由貝氏體鐵素體和殘留奧氏體組成的新型貝氏體組織，具有良好的強(qiáng)韌性和高的耐磨性，空冷熱處理后使鋼的強(qiáng)度、韌性、耐磨性可滿足截齒材料力學(xué)性能的要求。組織中的殘余奧氏體代替了典型貝氏體組織中的碳化物，提高了材料的塑性和韌性，克服了典型貝氏體鋼綜合力學(xué)性能低，尤其是沖擊韌性低的缺點(diǎn)。生產(chǎn)性試驗(yàn)表明，用Si-Mn-Mo系生產(chǎn)截齒，工藝簡(jiǎn)單，其使用壽命35CrMnSi鋼截齒提高 1.5～2 倍[15]。

鑄鋼截齒褲體材料主要有ZG35CrMnSi、ZG45Si2Mn2MoVRe、ZG40Cr2SiMnMoCuBTiRe等。如ZG40Cr2SiMnMoCuBTiRe采用淬火+低溫回火，獲得抗拉強(qiáng)度在1560～1900MPa、硬度 HRC53。 ZG40Cr2SiMn-MoCuBTiRe鋼正火+低溫回火可獲得抗拉強(qiáng)度1550MPa，硬度HRC53～55。對(duì)于鑄鋼褲體材料，生產(chǎn)中最大的問題是褲體材料韌性指標(biāo)沒有鍛造材料高，加之鑄造過程影響鑄件質(zhì)量的因素頗多，鑄造時(shí)難免會(huì)產(chǎn)生一些缺陷，在大功率采煤機(jī)截齒上的應(yīng)用受到限制。

3 截齒的制造工藝

3.1 截齒的生產(chǎn)工藝

目前截齒的生產(chǎn)工藝主要有兩種，一種是軋制的棒料通過模鍛，鍛造成截齒毛坯料、機(jī)械加工成截齒褲體，然后釬焊截齒頭部的硬質(zhì)合金，之后進(jìn)行熱處理。熱處理方式根據(jù)截齒材料種類不同主要分為兩種形式，對(duì)于淬透性較高的截齒材料在感應(yīng)加熱釬焊硬質(zhì)合金后利用余熱進(jìn)行淬火或強(qiáng)制空冷；一種是釬焊硬質(zhì)合金后重新加熱一定溫度淬火或強(qiáng)制空冷，再加熱時(shí)熱處理溫度受釬焊焊縫金屬的限制，不能太高，否則會(huì)影響焊縫質(zhì)量。截齒的另一種制造方法可以用鑄造方法制作截齒毛坯或鑲鑄的方法制造截齒，鑲鑄截齒制造工藝為：齒體與硬質(zhì)合金一次復(fù)合鑄造成型，然后機(jī)械加工及熱處理[16]。但采用鑄造的方法對(duì)鑄造工藝要求較高以確保鑄件毛坯鑄造缺陷少，對(duì)于大功率綜采機(jī)截齒越來(lái)越多的采用鍛造成型，配合機(jī)械加工來(lái)進(jìn)行截齒的生產(chǎn)。

3.2 截齒的表面處理

截齒材料與煤層接觸的表面進(jìn)行表面處理是提高截齒耐磨性和使用壽命的有效途徑之一，目前截齒表面處理的方法主要有以下幾種：

（1）堆焊硬質(zhì)合金。根據(jù)截齒的受力情況，截齒的最大受力點(diǎn)發(fā)生在與煤層發(fā)生切割的刀頭部位，該部位磨損最為嚴(yán)重，為了提高截齒刀頭工作部分的耐磨性，對(duì)于截齒材料淬透性或淬硬性較差的截齒，通過對(duì)截齒與煤層接觸部分采用堆焊耐磨合金的方法，提高截齒工作部分的硬度和耐磨性。截齒耐磨層的堆焊是利用所堆焊材料具有高硬度和高耐磨性，在截齒齒體頭部堆敷一層或幾層堆焊材料，形成一個(gè)防護(hù)帶，該層具有高的耐磨性、良好的耐蝕性，使截齒褲體材料的齒頭不直接與被采的煤巖接觸，減少齒頭部庫(kù)體材料與煤層的摩擦和沖擊等作用，減緩截齒磨損失效率，延長(zhǎng)截齒的使用壽命。截齒堆焊層耐磨性的好壞，取決于堆焊材料的成分、組織和性能、堆焊工藝。堆焊時(shí)一般采用等離子弧堆焊材料、TIG焊堆焊材料，可獲得良好的應(yīng)用效果。采煤機(jī)截齒采用耐磨堆焊層可保護(hù)截齒頭免遭強(qiáng)烈的磨損而過早失效，在機(jī)械化綜合采煤生產(chǎn)作業(yè)中獲得推廣應(yīng)用。為了減小截齒的堆焊修復(fù)，通過堆焊實(shí)現(xiàn)截齒的反復(fù)使用，可以減小購(gòu)買截齒的費(fèi)用。圖2a是堆焊耐磨層截齒照片，可以看出，通過堆焊硬質(zhì)合金，在截齒頭部工作部位形成一圈耐磨層，可有效地避免因磨損而造成硬質(zhì)合金齒頭的早期脫落。堆焊的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，操作比較靈活，能適應(yīng)全方位的堆焊。

圖2 截齒的表面處理

（2）表面熱噴涂。截齒表面處理的另一種方法是利用熱噴涂技術(shù)提高截齒頭部分耐磨性和使用壽命。熱噴涂技術(shù)是利用熱源將需要噴涂的耐磨材料加熱至溶化或半溶化狀態(tài)，并以一定的速度噴射沉積到經(jīng)過預(yù)處理的基體表面形成涂層的方法。圖2b是截齒工作部分熱噴涂涂層的照片，熱噴涂涂層具有耐磨、減摩等效果，可提高截齒使用壽命。如對(duì)截齒材料頭部高溫噴涂一層金屬陶瓷，增加頭部硬度（HRC≥60），硬度高，耐磨性好，截齒的使用壽命可提高50%以上[17]。

（3）表面冶金方法。表面冶金技術(shù)是以等離子弧等為熱源，在基體材料表面獲得一層均勻致密、結(jié)合牢固的特殊保護(hù)涂層，實(shí)現(xiàn)涂層與金屬基體的冶金結(jié)合，等離子熔覆是一種快速非平衡凝固過程，具有過飽和固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化等多種強(qiáng)化效應(yīng)，獲得的冶金層具有非常高的耐磨、耐蝕、抗高溫氧化等性能。文獻(xiàn) [18]用粉末材料C3%～4.5% ，Cr35% ，Ni5% ，Si4.5% ，B0.4%，應(yīng)用等離子束表面冶金設(shè)備對(duì)截齒頭部進(jìn)行處理表面，形成鐵基復(fù)合涂層， 涂層主要由 γ-（Fe，Ni） 和（Cr，F(xiàn)e）7（C，B）3相組成，冶金涂層具有較高的顯微硬度和較好的耐磨性能，生產(chǎn)的截齒在煤礦井下試用表明，截齒壽命提高2倍以上。等離子熔覆也可將Ni60A、高碳鉻粉（FeCr67C6）及鐵基合金等粉末熔覆在鋼基體上，熔覆涂層與基體的結(jié)合狀態(tài)為具有較高結(jié)合強(qiáng)度的冶金結(jié)合，熔覆涂層組織由大量的樹枝晶組成。這種樹枝晶是由高強(qiáng)韌性的固溶體及其上彌散分布的大量硬質(zhì)相構(gòu)成，起到耐磨骨架作用的樹枝晶，使熔覆涂層具有較高的耐磨性。

（4）化學(xué)熱處理?；瘜W(xué)熱處理是對(duì)截齒表面進(jìn)行滲碳、滲硼、滲鉻等化學(xué)熱處理，使截齒表面形成硬度較高的化合物以增強(qiáng)表面耐磨性。如用20CrMnTi和20CrMo滲碳鋼制造截齒，再滲碳處理，可提高表面硬度和耐磨性。滲碳是在一定碳勢(shì)氣氛中保溫，通過碳原子吸附及擴(kuò)散，提高截齒表面的碳含量和形成細(xì)小碳化物顆粒，提高截齒表面硬度。通過40CrNiMo滲硼及滲鉻處理，表面形成硼和鉻的化合物，提高表面硬度和耐磨性，使截齒使用壽命得以提高。

4 結(jié)論

（1）目前截齒用鋼的系列主要有Cr-Mo系、Mn-B 系、Cr-Ni-Mo系、Cr-Mn-Si系、Si-Mn-Mo系等，根據(jù)截齒的使用要求合理選擇截齒材料，對(duì)于大功率截齒或高端截齒產(chǎn)品，建議采用Cr-Ni-Mo系、Cr-Mn-Si系、Si-Mn-Mo系等合金鋼材料，配合一定的熱處理工藝生產(chǎn)截齒。

（2）對(duì)截齒工作部分進(jìn)行表面處理可提高截齒頭部的硬度和耐磨性，表面處理可以采用堆焊硬質(zhì)合金耐磨層、熱噴涂等方法提高截齒頭部硬度，提高截齒使用壽命。截齒的表面處理是提高截齒使用壽命的有效途徑。

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