基于等離子堆焊技術降低綜掘機截齒損失的研究

馬 嘉

（霍州煤電集團汾源煤業公司 ，山西 霍州 035100）

0 引 言

截齒的機械性能和質量影響著綜掘機掘進巷道的速度和掘進成本。為提高截齒的使用壽命[1]大多采用激光熔覆、CVD、PVD、增加合金材料等技術、方法。綜掘機截齒在巷道鑿巖時，易受沖擊載荷、擠壓、摩擦、交變熱應力等因素影響，往往是多種因素共同作用在截齒上。綜掘機截齒有截齒磨損、刀頭脫落、刀頭碎裂等幾種失效形式，而其中截齒磨損是綜掘機截齒損失最為嚴重的，這就造成了綜掘機必須經常修復或者更換。

為了降低綜掘機在掘進時截齒損失，采用等離子堆焊工藝方法對礦用截齒進行處理加工。制備等離子材料，采用堆焊技術使得基體材料與冶金相結合，相當于該等離子涂層被穿在了截齒上面[2]，進而增強綜掘機截齒的硬度、剛度、韌度等性能。熱源是轉移型等離子弧，壓縮等離子弧時會產生瞬間高溫，金屬粉末在高溫下熔化，熔化后與基體材料作用形成合金。為了能夠降低掘進巷道成本，減緩綜掘機截齒的失效，提高巷道成型效率，有效保障綜掘機正常工作，對綜掘機截齒損失采取改進措施，這對提高綜掘機截齒的壽命和使用效果具有里程碑的價值。

1 綜掘機截齒損失種類

1）截齒磨損。齒體磨損和刀頭磨損是綜掘機在掘進時截齒磨損主要兩種形式。煤巖硬度、煤巖腐蝕性容易造成截齒磨損，其程度不僅受煤巖體硬度、腐蝕性影響還會受工作環境影響。煤巖成分中含有石英、鐵礦等大量礦物質，它們會對截齒造成磨料磨損。尖銳煤巖會使得截齒劃傷、拉傷，再加上截齒工作時間長，被截割體堅硬，工作環境腐蝕強等，就會磨損截齒刀頭和齒體。一般截齒刀頭基本都是硬質合金，但該類型刀頭含雜質，晶粒不均勻，組織雜亂，相應質量性能就有所下降，且綜掘機在掘進巷道時工作時間長，長時間工作必然溫度升高，帶來的后果就是截齒硬度下降，截齒刀頭加劇磨損[3]。

2）刀頭脫落。刀頭和齒體焊接技術不過關、截齒偏磨、截割時反復沖擊，這些就會造成刀頭脫落。硬質合金刀頭和齒體共同組成截齒，因材質區別，刀頭與齒體焊縫處強度低，截齒在工作時就容易發生刀頭脫落。長時間工作，截齒與煤巖體產生磨損，降低了截齒強度，刀頭也會脫落。煤巖狀態復雜，截齒容易發生偏磨，增大了截割阻力，促使刀頭脫落。煤巖本身物理強度就高，綜掘機截齒工作反復承受沖擊載荷，焊縫強度不夠，很容易造成刀頭脫落[4]。

3）刀頭碎裂。材料質量和焊接技術是刀頭碎裂的主要因素。硬質合金中常夾有石墨雜質，分布不均勻的晶粒，經常受到復雜的沖擊力，截齒在截割時又處于高應力狀態下，隨著工作時間的延長，溫度升高過快，在高溫下刀頭硬度下降，刀頭便發生碎裂。焊接中存在焊接殘余應力，焊縫強度不足，在煤巖體高強度沖擊載荷下，使得刀頭碎裂。

4）截齒受力。掘進巷道時綜掘機割煤巖體，截齒受力的影響主要受巖石的抗拉強度與抗壓強度的作用，其受力關系可以簡化為公式（1）、（2）和（3）。

2 等離子堆焊材料及工藝

2.1 合金材料

眾多截齒研究者研究了大量等離子堆焊技術，基本采用的是自熔性合金粉末作為堆焊粉末。自熔性合金粉末又細分為鈷基自熔性和鎳基自熔性，自熔性合金粉末具有良好的致密性、高強度、韌性好、硬度高、耐磨等綜合性能。自熔性合金粉末成分中各自所占質量分數見表1。

表1 合金中成分各自所占質量分數

1）具有鈷基的自熔性合金粉末。以司太立合金為基礎，進一步發展得到鈷基自熔性合金粉末。鈷是基礎材料，材料中輔以適量硼、硅等元素，這就形成了等離子，加上堆焊工藝在截齒上進行涂層。截齒經過鈷基自熔性合金粉末堆焊涂層加工后，使得綜掘機截齒具有致密性好、高強度結合性、韌性好等優點，大大改善了截齒損失。

2）具有鎳基的自熔性合金粉末。鎳元素作為主材質，加以輔助其他元素，就形成了鎳基自熔性合金粉末，等離子涂層就具有優良的自熔性、潤濕性、堆焊性、低熔點特性。截齒經過鎳基自熔性合金粉末堆焊涂層加工后，使得綜掘機截齒具有硬度高、耐蝕、耐磨、抗氧化等特點。

2.2 陶瓷材料

金屬元素和非金屬元素構成無機非金屬陶瓷材料。陶瓷材料具有硬度很高、不導電、隔熱效果好、熔點高、耐磨性強等特性，是制作刀具適宜材料，這為降低截齒損失提供了新方法、新工藝、新技術。

TiC碳化物陶瓷，因其硬度高、熔點高、耐高溫、耐磨等特性，可以考慮在截齒中加以該陶化材料。密度低、熱導率高、硬度高的Cr3C2陶瓷粉末可加到等離子堆焊當中，在掘進頭部件的軸承、墊圈、刀頭中采用該材料進行堆焊，有助于提高綜掘機掘進頭強度、韌性、耐蝕性、耐磨性、高溫紅硬性[5]。熔點高、硬度大、化學穩定的WC陶瓷粉末加到等離子中，在綜掘機截齒堆焊中用該等離子進行處理，有助于截齒結構缺陷少、硬度高、微觀應變小等眾多優點，彌補現在使用的一般截齒缺陷。

2.3 等離子堆焊工藝

為了降低綜掘機在截割煤巖時截齒損失，采用42CrMo低合金鋼粉末，在基體表面進行等離子堆焊處理，形成合金堆焊層。Ni60自熔性合金粉末是主體的堆焊合金粉末，把Cr3C2、WC和TiC粉末按照規定比例進行均勻混合，為的是保證堆焊層成分均勻，確保截齒性能優良。等離子合金粉末混合均勻后，制備成長為30cm、直徑為3mm的焊條試樣。

采用數字化堆焊機，數字機可以設定堆焊電流、噴槍移動速度、保護氣流量等相關參數，設置好后，通過自動控制程序實行對截齒等離子堆焊加工。截齒等離子堆焊工藝參數如表2所示。

表2 截齒等離子堆焊工藝參數

3 堆焊截齒磨損試驗

3.1 堆焊截齒與一般截齒

為了驗證綜掘機截齒在等離子堆焊處理后，其截齒齒尖的耐磨性和截割載荷對截齒的影響，對堆焊處理的截齒和一般截齒對比試驗。堆焊截齒是等離子堆焊工藝處理的耐磨涂層合金材料，在相同條件下，兩種截齒均做100刀次截割試驗。普通截齒與等離子堆焊技術處理的截齒如圖1所示。

圖1 普通截齒與堆焊截齒

3.2 試驗結果分析

對截齒試驗后的質量進行測量，堆焊截齒和普通截齒磨損量分別為1.2g、4.6 g，質量損失率分別為0.07%、0.28%。試驗結束后的堆焊截齒和普通截齒磨損情況如圖2所示，與試驗前的圖1相比，堆焊截齒的磨損量少，普通截齒磨損嚴重，說明堆焊截齒耐磨性明顯比普通截齒具有優勢。堆焊截齒在截齒及外延部分均作了等離子堆焊耐磨涂層技術，為降低截齒損壞起了很大的作用。

圖2 普通截齒與堆焊截齒磨損后的變化情況

在截割的磨損試驗中可以得出，構成合金頭齒尖和錐形齒體部分材料不僅重要，而且等離子堆焊處理對截齒的耐磨性能也具決定性作用。為了改善截齒性能，降低截齒損失，硬質合金截齒的錐體部分采用碳化鎢、鎳基耐磨材料、鐵基耐磨材料做等離子堆焊涂層處理，使整個截齒提高耐磨性，如圖3所示。

圖3 截齒堆焊處理后剖開情況

4 工業性實踐

4.1 現場試驗

為了研究等離子堆焊處理的截齒破碎效果，普通截齒和堆焊截齒在人工巖壁上進行了現場試驗，如圖4所示。為了了解截割功率、速度、破碎率等情況，運用FLUKE435分析儀進行采集、分析。

在開始掘進時，掘進機截割臂位于中位軸線位置，普通截齒截割鉆進后整個截割頭左右搖擺，而堆焊截齒在截割時比較平穩，未發現較大擺動；普通截齒截割速度較慢，而堆焊截齒截割明顯快于普通截齒截割；在相同截割巖上，普通截齒截割需要的電機功率高于堆焊截齒功率。

圖4 人工現場截割試驗

若截齒有磨損，則截齒材料損失部分滯留在被截割體表面，縫隙呈黑色。兩種截齒截割巖石表面如圖5所示，對比觀察可知，普通截齒截割后，黑色較為明顯，說明截齒磨損材料較多；堆焊截齒截割的巖體截割線均勻，表面黑色較少，說明堆焊截齒損失較少。

圖5 普通截齒和堆焊截齒截割對比

4.2 井下試驗

為了研究堆焊截齒是否在煤礦井下具有可行性，在代池壩煤礦做了巷道掘進試驗，對上述普通截齒和堆焊截齒分別投入使用。在使用過程中發現等離子堆焊涂層處理過的截齒的截割性能優于普通截齒，堆焊截齒平均消耗量為0.06把/m3，普通截齒平均消耗量為0.15把/m3。因此，在同條件截割下，經過等離子堆焊技術處理可以有效提高綜掘機截齒的耐磨性，有助于減少截齒齒尖斷裂失效，顯著降低了綜掘機在掘進時截齒損失。

5 結 論

從綜掘機截齒損失種類出發，介紹了等離子堆焊材料和堆焊參數、工藝，并對堆焊截齒在實驗室和現場做了相應試驗，可以得出以下結論：

1）截齒損失有截齒磨損、刀頭脫落和刀頭碎裂三種情況，而截齒磨損是綜掘機截齒損失的主要類型。

2）等離子堆焊材料采用了合金材料和陶瓷材料，運用這兩大類復合材料對截齒進行了等離子堆焊處理。

3）分別在實驗室做了實驗性試驗和現場做了工業性實踐，試驗表明堆焊截齒截割效果好，比普通截齒損失量小，說明等離子堆焊技術能夠有效降低綜掘機截齒損失。