延長礦用截齒使用壽命的技術途徑

太原市機電配件廠(山西 030012)王保國

一、截齒的失效形式分析

截齒在截割工況條件惡劣的煤巖時，要瞬間承受很高的壓應力、剪切應力和沖擊負荷。煤的硬度雖然不是很高，但是其中常夾雜煤矸石、巖石等硬的礦料，并且在采煤和鑿巖過程中，截齒還有升溫問題，導致齒頂材質軟化，加速截齒的失效過程。通過對國內外截齒失效形式的調研、樣品解剖分析及抗沖擊性能、耐磨性、焊縫抗剪切性能的試驗，截齒失效形式主要有以下幾個方面（見附圖）。

1.硬質合金缺陷造成合金頭碎裂（崩刃）

截齒截割煤巖時在沖擊載荷的作用下，合金頭處于高壓應力狀態，若遇到煤巖中堅硬的礦料，在齒刃與煤巖接觸不良處承受的高剪應力，處于拉應力狀態，當拉應力超過合金的強度極限時即發生碎裂，合金頭碎裂（崩刃）后截齒缺乏銳利的合金頭，使截割阻力劇增，直接影響生產效率的提高，且加劇了截齒的磨損。

2.釬焊缺陷導致掉合金頭

截齒失效形式示意

掉合金頭是截齒失效形式中的主要形式之一。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，致使截齒提早報廢。截齒的早期、中期掉合金頭的原因主要是焊縫質量差、強度低，截齒加工尺寸控制不嚴，造成焊縫間隙過大或過小，致使焊料流動性差，合金頭被“擠死”或“缺焊”，為此，我國頒發的煤炭行業標準《MT/T246－2006煤礦用截齒》中對截齒的焊縫要求是焊縫剪切強度≥180MPa，焊縫內焊料的充滿度≥80%。截齒掉合金頭另外原因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。

3.齒體材料或熱處理缺陷導致截齒失效

（1）齒身折斷 由于截齒齒身強度不足，截齒截割堅硬巖石或包裹體夾雜物時，載荷突然加大，超過截齒許用強度時就易引起齒身折斷。

（2）齒身彎曲 當截齒承受很大的外力時，導致截齒的結構尺寸、剛度、布置方式等方面發生變化，引起齒身彎曲。齒身彎曲后，截齒受力狀態改變，就不能很好地完成截割任務。

4.截齒選型不當導致過早失效

5.齒座或齒套配合不當導致截齒過早失效

在實際使用過程中，如果齒座（齒套）和截齒配合不當，截齒固定不可靠或固定裝置磨損等，就易造成截齒的丟失，截齒的丟失現象也是比較普遍存在的問題。

6.截齒的磨損

（1）磨粒磨損 截齒在工作過程中，磨粒（煤矸石等）與截齒表面間產生較大壓應力，帶有銳利棱角的磨粒能切削截齒表面，形成顯微切削。如果磨粒不夠尖銳或刺入截齒表面角度不合適，則在截齒表面擠出犁溝。隨著截齒工作時間的延長，磨粒反復對截齒表面推擠，產生嚴重的塑性變形，使得表面下層塑性發生相互作用，導致塑變區內位錯密度增加，變形材料表面產生裂紋，裂紋擴張，截齒表面形成薄片狀磨屑，而且煤層中存在腐蝕性介質與截齒表面發生化學反應，而造成表面材料腐蝕、性能下降，并使表層金屬與基體材料結合力降低，加快了截齒材料層的磨損。

（2）熱疲勞磨損 截齒在截割煤巖時，承受周期性的高沖擊載荷，為了分析對截齒表面的破壞，可將沖擊載荷分成法向力和切向力，法向力和切向力通過接觸點作用傳遞到截齒的次表面層，在這些力的作用下截齒表面較硬的微凸點將變形，反復擠壓導致附近軟表面產生塑性流動并在截齒亞表面層形成積累。同時，截齒截割煤巖時由于磨損熱使刀頭磨損表面產生600～800℃的高溫，而截齒截割煤巖是周期性的回轉運動，故升溫是交變的。當刀頭接觸煤巖時升溫，離開煤巖時降溫，使截齒齒頂產生高溫回火，其組織一般是回火索氏體和鐵素體，其硬度下降50%，加速了截齒的磨損。由于截齒表層溫度的不斷變化，材料表層進一步軟化，導致塑變區內出現波浪式塑性流動和位錯密度增加，反復的彈塑變形，又使位錯集中，繼而表層出現橫向微裂紋。

大量的調研表明，礦用截齒的失效形式不盡相同，軟質煤或夾矸少的煤礦，截齒失效以多次磨損為主，硬質煤或夾矸多的煤礦多以合金頭崩碎和齒身折斷為主。

一般來說，被磨損材料的硬度與抗磨料磨損性能成正比，但在復雜的工況條件下，高硬度不一定對應高的耐磨性，尤其在受沖擊負荷時更是這樣。同時在截齒的磨損失效過程中，材料的硬度和磨料的硬度都不是一個準確值。因為材料中可能存在硬的粒子（如煤中的黃鐵礦、石英等），煤實際上是一種混合磨料，其中軟磨料對截齒表面反復擠壓，導致材料的疲勞磨損，而硬磨料則直接犁切截齒表面。在截齒的各種失效形式里有50%以上是由磨損造成的。

二、提高截齒性能的技術途徑

1.齒體材質的選擇

目前國內截齒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，有較高的綜合力學性能，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，選擇42CrMo合金結構鋼作為截齒材料，該鋼屬于淬透性好、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，該鋼制作的齒體頭部的抗裂性能和沖擊韌度要比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。

由于截齒在截割煤巖時承受高壓應力、剪切應力和沖擊載荷，因此，在保證截齒表面足夠的耐磨性時，要注意截齒材料的韌性，以提高截齒的綜合力學性能，延長截齒的使用壽命。

2.硬質合金頭的選擇

合金頭在使用過程中出現的崩刃、折斷等主要是由于合金中存在的石墨雜質，晶粒分布不均勻，部分合金中裂紋，合金在燒制后合金上下密度差大、空隙多、硬度低以及合金釬焊的殘余應力大等引起。為此，合金頭必須選擇優質原料，采用先進的成型燒結工藝（高純鎢粉、高溫還原、高溫碳化）等技術措施，使合金頭具有高韌性、高耐磨性和高抗沖擊性，在釬焊后及時消除釬焊應力。

合金頭形狀的選擇要根據合金頭的工況條件合理設計。煤質較好，夾矸很少的工況要突出合金頭的高耐磨性，而工況惡劣時就要增加合金頭的抗沖擊性，提高焊縫抗剪切強度，防止合金頭碎齒掉頭現象。

3.釬焊及熱處理工藝設置

截齒的釬焊及熱處理工藝是保證截齒質量和壽命的關鍵技術之一。國內截齒的生產工藝一般是截齒體采用35CrMnSiA合金結構鋼：鍛造→機加工成形→釬焊硬質合金頭→鹽浴爐加熱→硝鹽等溫淬火→回火或是截齒體加工成形→鹽爐加熱→硝鹽等溫淬火→清洗→釬焊硬質合金頭→回火。

前一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，經過了兩次加熱，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。后一種生產工藝，硝鹽等溫淬火后釬焊硬質合金頭，雖然焊縫質量和硬質合金頭的質量得到了保證，但截齒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，同樣也縮短截齒的使用壽命。同時，鹽浴爐加熱、淬火消耗能源，對環境的污染大。為此，采用水溶性淬火介質，針對不同的工況條件采用不同的釬焊、淬火工藝。

（1）按照截齒磨損類型，如果用于煤質軟、夾矸少的工況，采取截齒體機加工→高頻爐加熱→釬焊→淬火液淬火→低溫回火工藝，可以達到齒體頭部硬度在50HRC，柄部在40HRC，沖擊韌度高于49J/cm2，這樣既提高了齒體頭部和合金頭的耐磨性，合金頭也避免了反復加熱，更重要的是截齒體前端的耐磨性提高，解決了截齒后期掉合金頭問題。

（2）如果是用于工況惡劣的煤巖，則采用截齒體機加工→中頻爐加熱→釬焊→淬火液淬火→高溫回火工藝，以得到截齒體整體硬度在42HRC，而焊縫抗剪切強度、齒體的韌性要高于上一種工藝，提高了切割硬煤巖的能力。

（3）對于中硬煤巖，則采用機加工→熱處理→高頻加熱→釬焊→回火→齒體頭部熔覆耐磨材料，進一步增加了齒體頭部的耐磨性。

4.合理選擇截齒的幾何參數和排列方式

截齒的幾何參數對截齒的截割性能和壽命影響很大，幾何參數選擇直接影響截齒的截割阻力、軸向力大小。截齒排列方式對工作機構的截割狀態有重要影響，對不同物理性質的煤巖，應選擇不同的排列方式。若設計不當，則截割的可靠性將顯著降低，齒身壽命與煤層中堅硬成分的含量和作用載荷有很大關系，而載荷大小取決于截割參數，在高載荷的切削條件下，齒身壽命急劇下降，比其磨損壽命還要低。

5.截齒的制造質量對截齒的失效有重要影響

從制造工藝上，合金頭與齒體焊接質量等方面都要注意，保證截齒的制造質量，硬質合金鑲嵌在齒尖處，它是直接參與截割的，對于不同的煤巖其截割助力和牽引力不同，焊縫的受力也不一樣，因此，截齒制造要保證焊接質量。

6.截齒的安裝質量

從截齒與齒座（齒套）安裝配合，齒座（齒套）的熱處理工藝、齒柄與齒座（齒套）間配合間隙以及硬度都要達到沖擊載荷的要求，這樣截齒和齒座才能承受較大的力，避免截齒失效。

合理選擇截齒的尺寸公差精度，使固定件物理力學性能滿足要求，截齒才能固定，防止丟失。

7.正確使用截齒

每一種截齒的設計都要滿足一定的截割參數和特定煤巖要求，生產工藝的編制要滿足截齒的使用工況條件。如果把適用于較軟煤巖的截齒用于截割較硬煤巖，必然加劇截齒的破壞，超出設計截割參數使用截齒，也必然引起截齒過早失效。如果工作時牽引速度過大，使截割厚度超過截齒伸出長度，就會導致齒座參與截割過程，整個截齒連同齒座都處于截割狀態，將加劇全齒磨損，而且因載荷過大易引起齒身溫度高，降低齒身強度，造成齒身彎曲、折斷現象。另外，在工作過程中隨時注意滾筒上截齒的狀態，以保證截齒的正常使用。通過截齒的失效分析，進行相應對策探討，是開展截齒可靠性研究的基礎，只要解決截齒在設計、制造、選擇和使用等方面存在的問題，就能夠明顯地提高截齒的可靠性，大大降低截齒的損耗，進一步提高煤炭生產的效益，很好地適應高產高效礦井建設和發展要求。

三、結語

通過上述技術措施制造的礦用截齒，在實際使用中取得了良好的效果，截齒的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很大的提高。表明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。