采煤機(jī)螺旋滾筒截齒強(qiáng)化技術(shù)的研究

王昆宏

(華陽新材料集團(tuán)煤機(jī)裝備研究院，山西省陽泉市，045000)

0 引言

采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架是煤礦綜采成套設(shè)備的核心，尤其是成套采煤機(jī)設(shè)備，直接關(guān)系著井下采煤作業(yè)的效率和礦井產(chǎn)能[1-3]。在國內(nèi)，大多數(shù)采煤機(jī)配備的是螺旋滾筒，在滾筒采煤作業(yè)過程中，直接對煤壁進(jìn)行截割作業(yè)的關(guān)鍵核心零件——截齒的性能直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)的能力和安全。

煤礦井下的復(fù)雜工況使截齒在采煤作業(yè)過程中受到各方面的切割阻力，而截齒本身質(zhì)量和性能的優(yōu)劣則對采煤機(jī)的生產(chǎn)效率和采煤生產(chǎn)成本至關(guān)重要，在螺旋滾筒截齒的選擇上，截齒的材質(zhì)、沖擊韌性、表面硬度、耐磨性能、抗彎曲強(qiáng)度上是截齒性能的重要指標(biāo)，目前煤機(jī)科研工作者針對截齒各項指標(biāo)均有所研究，目的在于提高截齒的綜合性能，延長截齒的使用壽命，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

本文就采煤機(jī)螺旋滾筒截齒的失效形式進(jìn)行研究和分析，運用先進(jìn)表面技術(shù)來提高截齒的各項性能指標(biāo)，從而提高采煤機(jī)的整體采掘效率，提高煤企生產(chǎn)單位的采煤效率和經(jīng)濟(jì)效益。

1 截齒的失效分析

截齒是采煤機(jī)滾筒對煤層進(jìn)行切割的核心零件，在煤炭開采中也是最易失效、消耗最大、更換最頻繁的煤機(jī)零件。由于煤層的復(fù)雜地質(zhì)工況，截齒在切割過程中時時承受煤塊的壓應(yīng)力、磨損、沖擊力以及剪切應(yīng)力等，從而導(dǎo)致截齒出現(xiàn)失效的現(xiàn)象。螺旋滾筒及截齒示意圖如圖1所示。

圖1 螺旋滾筒及截齒示意圖

常見采煤機(jī)截齒的失效形式主要包括上錐部磨損、齒體斷裂、截齒變形、合金頭脫落以及截齒從滾筒上脫落丟失的情況，這些失效情況嚴(yán)重影響了截齒截割煤層的效率和煤機(jī)單位的采煤生產(chǎn)能力、截齒失效形式如圖2所示，具體失效原因如下。

圖2 截齒失效形式

(1)上錐部磨損。采煤機(jī)截齒在切割煤壁的過程中，受到煤矸石、煤塊等堅硬物質(zhì)的影響，產(chǎn)生巨大的壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力，造成截齒截割部位尤其是錐部等的直接磨損而失效[4-6]。

(2)齒體斷裂。在切割煤壁過程中，當(dāng)截齒與煤矸石等堅硬物截割時，剪切應(yīng)力超過截齒本體的強(qiáng)度時就會使截齒齒身斷裂。

(3)截齒變形。因截齒本身的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)等不足以承受截齒截割煤層時的各方面外力，造成截齒齒身彎曲甚至折斷，直接導(dǎo)致截齒失效[7-8]。

(4)合金頭脫落。為了增強(qiáng)截齒的抗磨截割性能，往往在截齒錐部釬焊硬質(zhì)合金的形式來提高其性能，但因各方面原因造成釬焊質(zhì)量差，如釬料熔化不充分、結(jié)合力差、釬焊層有夾雜、齒體不耐磨等，這些缺陷造成硬質(zhì)合金頭在切割過程中因受四周的壓力和磨損而過早脫落，從而造成截齒整體失效。

2 截齒材質(zhì)及強(qiáng)化技術(shù)

2.1 截齒齒體材質(zhì)選擇

國內(nèi)外針對采煤機(jī)截齒的各種失效形式和失效機(jī)理進(jìn)行了多方面、多層次的研究，雖然提出了可以適用于工業(yè)應(yīng)用的采煤機(jī)截齒強(qiáng)化技術(shù)，然而對于提高采煤機(jī)截齒的各項性能指標(biāo)，選擇截齒的材質(zhì)尤其重要。經(jīng)過各項工業(yè)實際應(yīng)用驗證，采煤機(jī)截齒優(yōu)選高強(qiáng)合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo，該合金鋼具有高強(qiáng)度、良好的抗沖擊韌性以及良好的淬透性。42CrMo化學(xué)成分見表1。

表1 42CrMo化學(xué)成分 wt.%

2.2 微弧等離子熔覆表面強(qiáng)化技術(shù)

除了選擇強(qiáng)度高、抗沖擊性能強(qiáng)的截齒材質(zhì)外，還需要對截齒表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，改善截齒表面的硬度和耐磨性能，從而提高截齒的整體綜合性能。對截齒表面強(qiáng)化采用微弧等離子熔覆表面強(qiáng)化技術(shù)，該技術(shù)是利用聯(lián)合型等離子弧作為熱源，將基材表面和耐磨合金粉末同時熔化形成熔池，并發(fā)生劇烈的冶金反應(yīng)并在內(nèi)部形成一系列的含有硬質(zhì)相強(qiáng)化相的組織，隨著等離子弧熱源的移動，從而在基材表面形成高硬度、高耐磨、高強(qiáng)度的強(qiáng)化層[9-10]。

根據(jù)采煤機(jī)截齒磨損失效特點，采用微弧等離子熔覆表面強(qiáng)化技術(shù)和耐磨合金粉末對截齒易磨損的上錐部進(jìn)行等離子熔覆強(qiáng)化，截齒上錐部的耐磨合金層相對截齒本體的硬度、強(qiáng)度都有所提高，尤其是耐磨性能提高最為顯著，經(jīng)等離子熔覆強(qiáng)化處理的截齒在進(jìn)行煤層切割時就能夠抵抗煤層中的煤矸石等堅硬物質(zhì)的磨損，延長截齒的使用壽命[11-14]。

3 截齒表面強(qiáng)化性能

采用微弧等離子熔覆表面強(qiáng)化技術(shù)和鐵基自熔性高碳鉻合金粉末對截齒進(jìn)行耐磨強(qiáng)化處理，制備試驗所用的試樣塊，便于對截齒表面等離子熔覆層的顯微組織、表面硬度和耐磨性能進(jìn)行研究。鐵基自熔性高碳鉻合金粉末化學(xué)成分見表2。

表2 鐵基自熔性高碳鉻合金粉末化學(xué)成分 wt.%

3.1 截齒表面等離子熔覆層顯微組織

線切割截取截齒表面等離子強(qiáng)化層，切割尺寸為12 mm×12 mm的金相試樣，經(jīng)研磨拋光后選用王水進(jìn)行腐蝕，觀察等離子熔覆強(qiáng)化層的顯微組織如圖3所示。

由圖3(a)可以看出，截齒基體與等離子強(qiáng)化層呈冶金結(jié)合，強(qiáng)化層與基材結(jié)合牢固；圖3(b)為等離子強(qiáng)化層，熔覆層以奧氏體相為基礎(chǔ)，在奧氏體相上彌散分布著碳化物硬質(zhì)相(以M7C3為主)，尤其是合金粉末中含有的Cr、V、Ni等強(qiáng)化元素與C已形成碳化物硬質(zhì)相，對于含有V的高碳鉻合金粉末，易形成細(xì)小的碳化釩彌散分布在奧氏體基體中，能夠很好地起到彌散強(qiáng)化的作用，初生碳化物和析出的二次碳化物也可以起到細(xì)化晶粒的作用，從而提高強(qiáng)化層的硬度和耐磨性，起到強(qiáng)化的效果。

圖3 截齒表面等離子強(qiáng)化層顯微組織

3.2 截齒表面硬度測試

采用HRA150洛氏硬度計對截齒的等離子熔覆強(qiáng)化層進(jìn)行表面硬度測試，從截齒試樣基材為起點，硬度測試到等離子強(qiáng)化熔覆層，在同一直線上共進(jìn)行12個點的硬度測試，硬度檢測結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，經(jīng)微弧等離子熔覆表面強(qiáng)化處理的截齒，從截齒基體到等離子強(qiáng)化層硬度提高顯著，由基材的HRC38.6到強(qiáng)化層的HRC53.6，表面硬度提高38.8%，這是由于強(qiáng)化層顯微組織中彌散分布的硬質(zhì)強(qiáng)化相起到了彌散強(qiáng)化的作用，充分說明了微弧等離子熔覆表面強(qiáng)化可以顯著提高截齒的硬度。

圖4 截齒表面硬度檢測結(jié)果

3.3 截齒表面等離子強(qiáng)化層耐磨性試驗

采用磨粒磨損試驗方法，利用橡膠輪磨粒磨損試驗機(jī)對截齒表面的等離子強(qiáng)化層進(jìn)行耐磨性能測試，測試結(jié)果見表3。

表3 截齒表面強(qiáng)化層磨損試驗

由表3可以看出，基材42CrMo的磨損量為1.295 g，經(jīng)微弧等離子強(qiáng)化技術(shù)強(qiáng)化處理的截齒表面強(qiáng)化層的磨損量僅為0.125 g，整體耐磨性提高了10.36倍，耐磨性能極大地提高，這是由于顯微組織中大量存在彌散分布的碳化物硬質(zhì)相，能夠細(xì)化晶粒，提高耐磨性，也充分說明了微弧等離子強(qiáng)化技術(shù)對于采煤機(jī)截齒的耐磨性能有明顯的提高效果，可以顯著改善采煤機(jī)截齒在截割煤層時煤矸石等堅硬物質(zhì)對截齒錐部的磨損抵抗作用，提高截齒的磨損能力。

4 結(jié)語

通過對采煤機(jī)截齒的失效形式進(jìn)行分析和研究，采用微弧等離子強(qiáng)化技術(shù)對截齒表面進(jìn)行強(qiáng)化處理后，其硬度和耐磨性能提高明顯，硬度提高38.8%，耐磨性能提高10.36倍，從而使截齒在切割煤層時能夠大大改善截齒的耐磨性能，提高截齒的使用壽命，減少截齒的更換頻率，提高煤企生產(chǎn)單位的采煤效率。