采煤機截齒的選材與制造分析

樊恩國

（汾西礦業(yè)集團公司靈北煤礦機電運輸區(qū)， 山西 靈石 031302）

引言

截齒是煤礦采煤機和礦山巷道在掘進時非常常見的一種工具，如圖1所示，其質(zhì)量會直接影響到采掘機的工作效率。為了防止截齒在使用過程當中出現(xiàn)斷裂等情況，需對其進行改進，高強度的截齒材料制造可讓其使用壽命得到延長，從而滿足最大化采掘效率的追求。國內(nèi)廠家的截齒消耗率一般來說都是每萬噸消耗80到200把，國外的截齒損耗率僅僅是每萬噸消耗20把。因此，對于采煤機的截齒研究還需進一步改進，以提升其選材和制造工藝的水平。

圖1 采煤機截齒

1 截齒的工作原理及失效形式

采煤機的工作是通過對旋轉(zhuǎn)滾筒上的截齒來進行旋轉(zhuǎn)從而對煤場進行有效切割，最終做好開采工作，在對煤層的截取當中截齒需要承受到較高壓強的力，因此其可能會出現(xiàn)破損變形或者是脫落斷裂等情況，影響到截齒使用壽命。除此之外，煤礦的條件、截齒的形狀等也會影響到使用壽命，但是最主要的影響因素還是材料本身，截齒的失效主要有以下幾種原因：

1.1 磨損與斷裂失效

截齒在煤炭切割當中會產(chǎn)生較為嚴重的摩擦，這樣就會使其出現(xiàn)一定的磨損情況，通過對截齒的應力分布分析，可以發(fā)現(xiàn)在截齒受力過程當中，其應力最大受力點在于其工作頭部，這部分磨損最為嚴重，可能會導致截齒產(chǎn)生嚴重的磨損而失效，在實際的生產(chǎn)當中，有50%以上的截齒失效的情況是由磨損而造成的。同時在實際生產(chǎn)中還會出現(xiàn)截齒斷裂等情況，原因在于在切割煤礦的時候由于較大的沖擊載荷，就會使得刀頭受到較大的沖擊力，在遇到比較堅硬的煤矸石時，就可能會造成其受到的力超過其強度極限而發(fā)生嚴重的斷裂情況，產(chǎn)生斷裂的主要原因包括截齒材料的強度較差或者是其表面內(nèi)部結(jié)構(gòu)不夠合理，在一定應力的作用下，就可能會導致其裂紋有較為嚴重的擴展而出現(xiàn)斷裂情況。通過分析，其裂紋主要集中在截齒的表面，裂紋在形成之后容易向內(nèi)部擴展，所以截齒材料應該具有較好的柔韌性和較高的強度才能夠減少斷裂，同時對于表面和內(nèi)部的結(jié)構(gòu)應該同等重視，通過對其表面質(zhì)量的強化可以有效防止其出現(xiàn)斷裂的情況。

1.2 硬質(zhì)合金齒頭的破碎及脫落

在截齒對煤礦進行切割的時候，如果遇到煤礦當中比較堅硬的礦石，刀頭就會處于到高壓應力的狀態(tài)，在截齒和煤層接觸的區(qū)域就會承受到較高的剪應力，如果這樣的應力超過其強度極限，就可能會導致刀頭出現(xiàn)破碎或者是脫落的情況，當結(jié)石在磨損到一定程度時，表面的硬質(zhì)合金將會出現(xiàn)脫落。硬質(zhì)合金的脫落也和其焊接的質(zhì)量有著密切的關系，如果焊接處不能有效排除空氣而存在著一些雜質(zhì)，就可能會使其應力強度變低。硬質(zhì)合金刀頭脫落的主要原因在于其截齒表面工作強度過低，因此通過對材料進行改進，可以有效避免其發(fā)生脫落的情況[1]。

2 截齒材料的種類及其性能特點

目前國內(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，通過對其生產(chǎn)方法進行分析和探討，可以將其分為鑄造截齒材料和鍛造截齒材料。截齒材料的碳質(zhì)量分數(shù)一般來說在0.3～0.45之間，其含碳量處于中間位置，按照國家的要求，其截齒的沖擊韌性和剪切強度等都應該達到一定的標準。

Cr-Mo系截齒材料典型鋼種為42CrMo鋼，它的強度較高，同時在高溫下有著較為持久的強度，其生產(chǎn)工藝主要是在熱處理（840℃油淬+360～400℃回火）后，所得的組織就有著較高的疲勞極限，同時可以抗住多次的高強度沖擊，在低溫的沖擊下依然有較好的韌性[2]。

Cr-Mn-Si系截齒材料典型代表為35CrMnSi，截齒材質(zhì)的常規(guī)熱處理工藝為880℃油淬+380～430℃回火，其硬度較強，耐磨性也較好，可以在較復雜的生產(chǎn)環(huán)境下進行工作，其截齒壽命是普通材料的1.5倍以上。因此在實際的生產(chǎn)當中，需要做好熱處理工作，如果表面機械加工質(zhì)量不到位的話，就可能會使其造成一定的斷裂情況。

3 截齒的制造工藝

3.1 截齒的生產(chǎn)工藝

目前來說，對于截齒的生產(chǎn)工藝主要有兩種方法：第一種是通過軋制材料對其進行鍛造，形成截齒的毛坯料，結(jié)合熱處理之后對其頭部進行硬質(zhì)合金焊接，再進行淬火以提升其機械強度，對其硬質(zhì)合金進行重新加熱，以一定的溫度強制進行空冷，否則會使得焊縫的質(zhì)量受到影響。第二種方法是通過鑄造的方法來對截齒進行制造，將截齒和硬質(zhì)合金進行一次鑄造，成功之后進行統(tǒng)一熱處理，對于大功率的綜合開采機來說，采用這種方式，有利于實現(xiàn)零件的一體化，通過生產(chǎn)線來實現(xiàn)截齒的高效生產(chǎn)。

3.2 截齒的表面處理

對于截齒材料表面進行處理有利于提升其壽命，加強耐磨性，目前來說對其進行處理的方法有以下幾種：

3.2.1 堆焊硬質(zhì)合金

根據(jù)截齒的實際受力情況來對其進行分析，截齒的最大受力點在其煤層發(fā)生直接切割的部位，應當采用堆焊耐磨合金的方法來強化刀頭。通過使用有較好耐磨性和較高硬度的堆焊材料來對其進行堆焊，從而能夠形成一個抗腐蝕的防護帶，有利于其提升使用壽命，加強耐磨特性，堆焊的時候一般要用等離子弧的堆焊材料，這樣可以使其應用效果更優(yōu)，為了使截齒的堆焊修復工作變得簡潔，截齒能夠反復的使用，一般通過在截齒頭部塑造一層耐磨層，可以有效防止其出現(xiàn)脫落，而且成本較低，操作簡單，適應于各種環(huán)境下的強化工作[3]。

3.2.2 表面熱噴涂

通過熱噴涂技術來使截齒表面耐磨性能得以提升，如圖2所示。熱噴涂技術主要是通過熱源將需要噴涂的材料覆蓋到其表面，然后加熱使其融化，形成一定的涂層，熱噴涂涂層可以有效增強其強度，提升截齒的使用壽命。一般來說，在截齒材料的頭部要噴一層金屬陶瓷等材料有利于讓其使用壽命提高到原來材料的1.5倍以上。

圖2 熱噴涂工藝

3.2.3 表面冶金方法

表面冶金技術是通過利用等離子弧來作為熱源使得其材料表面能夠產(chǎn)生一層較為致密的保護涂層，然后實現(xiàn)截齒表面的融合，如圖3所示。等離子熔覆技術有著較好的強化效應，應用等離子束表面對截齒頭部進行有效處理，可以形成復合涂層，熔覆涂層和截齒表面的融合，使其具有較高的耐磨性能，使用壽命也得到較大的延長。

圖3 表面冶金工藝

3.2.4 化學熱處理

化學熱處理是對截齒的表面進行滲碳、滲硼、滲鉻等化學熱處理，通過在截齒表面形成硬度較高的化合物以提升其耐磨性能。滲碳是通過碳原子的吸附和擴散的效能來讓截齒表面的硬度大大改善，防止其他化學物質(zhì)的腐蝕，使得截齒的使用壽命可以在加工過程中得到較大的延伸。

4 結(jié)語

對截齒的材料進行有效選取，同時在制造工藝上提升其強度，有利于增強其硬度和耐磨性，對截齒表面進行處理可以有效延長其使用壽命。