高抗沖擊性金剛石復合煤截齒的研究

蔣云振, 陳桂湘

(1.桂林特邦新材料有限公司,廣西 桂林 541004;2.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司,廣西超硬材料重點實驗室,國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西特種礦物材料技術創新中心,廣西 桂林 541004)

1 概述

隨著智慧礦山概念的提出[1-2],全面建成安全、綠色、高效、智能的礦山已然成為全行業高度關注的問題,同時也推動著煤礦開采設備制造業的轉型升級,并對其提出越發嚴苛的要求。采煤機作為礦井最常見也是最主要的采掘設備之一,在煤炭開采工作中起到關鍵作用,而截齒又作為采煤機成本價值最高的消耗零部件,是充分發揮采煤機真正效用的重要一環。

目前市場上仍以價格低廉的硬質合金煤截齒為主[3],其在面對較硬地層時,存在耐磨性差、不耐腐蝕和壽命短等問題。截齒在煤礦掘進工作時,需要承受煤層過高的剪應力、沖擊載荷及周期壓應力[4]等,傳統的硬質合金截齒在多種力的作用下易發生失效。其具體的失效形式有截齒磨損[5]、截齒表面腐蝕、刀頭碎裂[6]、截齒丟失等。統計表明有50%的截齒失效是由磨損造成的[3],磨損是截齒失效的主要原因。上述失效的發生,不僅會直接影響施工進度,降低工作效率,提高成本,還可能會引發其他的危害[7]。因此,亟需一種耐磨、高效、綠色、綜合性能優異的高端截齒與先進設備進行匹配,從而真正意義上實現礦山智能化和開采可持續化。

與傳統的硬質合金截齒相比,金剛石復合煤截齒的使用壽命是硬質合金煤截齒的10～20倍[8],其不僅解決了當前開采領域中的難題,還可保障工程周期,降低施工成本,適應了我國低端工具向高端工具轉變的趨勢,具有廣闊的應用前景。

為了研制出具有高耐磨性、高效率、長壽命的金剛石復合截齒,近年來,國內外研究人員做了大量研究。中國礦業大學韓永傳、徐宏武對脈沖復合鍍金剛石截齒的制造工藝和性能進行了初步研究,并研制出了具有優異耐磨性的電鍍型金剛石截齒[9];中南大學張紹和等研制出一種耐磨性、工作效率和使用壽命均有大幅度提高的孕鑲型金剛石復合截齒[10];澳大利亞聯邦科學院探礦與采礦研究所和湖南飛碟新材料有限責任公司合作研制了一種熱穩定性金剛石聚晶(TSDC)復合截齒,其能夠在高溫下依舊保持聚晶金剛石原有的物理機械性能[11];美國的Danny等則是將硬質合金柱齒上的卵形部分截割去一個錐體,直接把無支撐物的金剛石聚晶層焊接到硬質合金基底截割面上,制備出了焊接型金剛石復合截齒,這種截齒的特點是在聚晶層脫落后可重新焊接,以實現齒體的重復利用[12]。這些研究在不同程度上提高了金剛石復合截齒的耐磨性、熱穩定性,甚至簡化了其制作工藝,降低制造成本,對金剛石截齒的推廣與應用有著非常重大的作用。金剛石復合煤截齒雖然具有超高的硬度和優異的耐磨性,但也存在金剛石聚晶層在工作沖擊狀態下易發生大面積破碎或整體脫落的情況。這主要是因為金剛石聚晶層與硬質合金基體的熱膨脹系數和彈性模量存在較大差異。針對這個問題,美國的Tracy Hall博士率先提出了過渡層結構技術,其將截齒的工作表面由100%的金剛石聚晶層逐漸過渡到100%的硬質合金基體,使彈性梯度與熱膨脹梯度逐漸均勻變化[13],本文也是在借鑒此技術方法的基礎上開展的進一步研究與優化。

此外,金剛石復合煤截齒目前在國內市場上的應用還未完全成熟,對金剛石復合煤截齒的研究和推廣,能有效填補國內技術領域的空白,對于我國煤截齒的技術提升,產品由進口轉外銷有著重大的推進作用。

2 試驗方法和過程

2.1 金剛石復合煤截齒的齒形結構和粉料配方設計

本文所研究的金剛石復合煤截齒本體由硬質合金基體和覆蓋于硬質合金基體之上的金剛石聚晶層組成,截齒的齒頭部輪廓為圓滑球面,齒腹部為凸出的圓弧面,整體外觀形似子彈(圖1a)。齒頭部的球面半徑R1要小于齒腹部的圓弧半徑R2,且內切于該圓弧,兩部分圓弧形成平滑過渡。其中齒頭部球面半徑R1取值范圍在1～10 mm之間,齒腹部圓弧半徑的取值范圍在10～50 mm之間。

圖1 金剛石煤截齒外觀示意圖(a)與 金剛石煤截齒剖視圖(b)

金剛石聚晶層設計為2層結構,所使用的粉料包括有不同粒度的金剛石微粉、WC粉、Co粉和W粉。其中直接與合金基體接觸的為過渡層,過渡層之上為工作層(圖1b)。將聚晶過渡層與工作層之間的結合面采取多段圓弧輪廓的設計,中間圓弧向上凸起,周邊圓弧則向齒身軸線處內凹,且各相鄰的兩圓弧相外切,形成平滑過渡。聚晶工作層的金剛石微粉質量分數為60%～100%,微粉粒徑為3～10 μm;聚晶過渡層的金剛石微粉質量分數為20%～60%,微粉粒徑為10～60 μm。

2.2 金剛石復合煤截齒合成流程與工藝探討

將兩層不同配比的粉料分別加入無水乙醇混合均勻,并進行干燥、凈化、真空處理。先將處理后的金剛石聚晶工作層粉料按所設計的質量稱重,裝入由鉬、鋯、鈮、鈦等材質特制成的金屬模具中,采用特制壓頭壓制出工作層造型;再將處理好的金剛石聚晶過渡層粉料按照所設計的質量稱重,裝入已壓制有工作層粉料的模具中,在工作層粉料基礎上再采用特制壓頭壓制出過渡層造型;最后將合金基體裝入模具,進行冷壓(壓力5～10 MPa),使其與粉料緊密貼合。

金剛石復合煤截齒采用國產的六面頂壓機進行合成,合成壓力為5～6 GPa,合成溫度為1 450 ℃～1 650 ℃,合成時間為10～25 min,并且可根據不同煤截齒的直徑和高度,適當調節合成工藝。

2.3 微觀結構檢測

利用中走絲線切割機對金剛石復合煤截齒進行切割,將切割面進行打磨后,通過S-4800型場發射掃描電子顯微鏡(SEM)對金剛石復合煤截齒工作層-過渡層區域、過渡層-合金基體區域顯微結構、形貌以及元素分布進行表征。

2.4 抗沖擊性能檢測

煤截齒作為采煤機的關鍵組成部件,且結合煤截齒工作方式和環境的特點,導致工作過程中煤截齒齒頭的受力情況極為復雜[14],尤其是截割煤炭產生的巨大沖擊力,會使得金剛石復合煤截齒易發生聚晶層整體脫落的情況,因此本文主要檢測金剛石復合煤截齒的抗沖擊性能。具體檢測方法:將金剛石復合煤截齒固定于夾具之上,采用自由落體式重錘試驗機對進行反復沖擊(圖2),統計沖擊次數,并觀察煤截齒聚晶層脫落情況,其中重錘質量為10 kg,重錘硬度為HRC45～50,落錘高度為2 m。

圖2 自由落體式重錘試驗機

值得說明的是,對于煤礦用截齒類產品的技術指標要求,目前還尚無統一的國際標準。2006年以前,所遵循的標準均為《煤礦用截齒(MT 246—1996)》。直至2006年8月份,煤炭科學研究總院上海分院起草發布了《MT/T 246—2006采掘機械用截齒》,該標準中要求截齒的齒體沖擊韌性αk≥49 J/cm2。而后發現,由于沖擊功僅為試樣缺口附近參加變形的體積所吸收,而此體積又無法測定,且在同一斷面上每一部分的變形也不一致,因此用單位截面積上的沖擊功αk來判斷韌性的方法在國內外也已逐漸被淘汰。

3 試驗結果分析和討論

本文利用掃描電鏡對金剛石復合煤截齒進行微觀形貌觀察(圖3),黑色部分為金剛石顆粒,灰白色部分為粘結劑。工作層中金剛石含量高,顆粒的粒徑小,絕大部分金剛石經高溫高壓燒結后連接成一片,形成金剛石-金剛石的結合方式;而過渡層中金剛石含量低,顆粒的粒徑較大,則是以顆粒形式均勻分布于整個過渡層區域。

圖3 金剛石復合煤截齒SEM圖

圖4、圖5顯示了金剛石復合煤截齒不同區域的主要化學元素分布情況。工作層和過渡層為C元素富集區,基體區域C元素含量相對較少且分布均勻;W元素和Co元素的濃度則是按照工作層-過渡層-基體的分布順序逐漸升高。

圖5 過渡層-合金基體區域EDS能譜圖

采用自由落體式重錘試驗機對本文所研制的金剛石復合煤截齒進行反復沖擊,在單次沖擊功為200 J時,累計沖擊2 000次(累計沖擊功達到400 000 J),未發生齒體破壞和金剛石聚晶層脫落現象(圖6)。

圖6 2 000次沖擊試驗后的金剛石復合煤截齒

由于金剛石聚晶層與硬質合金基體(主要成分為WC和Co)的熱膨脹系數存在較大差異,其中Co的熱膨脹系數為14.6×10-6/K,而金剛石為(1.2～4.5)×10-6/K,兩者相差了一個數量級。金剛石復合煤截齒在制造或使用過程中往往需要經受很高的溫度,而硬質合金又具有比金剛石高得多的熱膨脹系數,在冷卻時,硬質合金比金剛石聚晶層的收縮要大得多,于是就在結合面處產生了應力,導致兩者結合強度大大降低,嚴重時甚至會直接產生分層脫落。因此就需在聚晶層與合金基體之間設計出合理的過渡層配方,盡可能的降低殘余應力對兩者之間的結合強度帶來的影響,從而避免金剛石復合煤截齒在工作過程中發生金剛石聚晶層脫落的情況。在聚晶過渡層中適當減少金剛石微粉的含量,同時增加WC和Co粉的含量,這樣可以使得聚晶層到合金基體之間的熱膨脹系數呈現階梯式變化,從而有效減少結合面處的內應力,提高結合強度。

將過渡層中的金剛石微粉粒徑增大,則是為了加快硬質合金基體中的Co熔滲掃越到粉料層的速度,而一定程度上的Co熔滲掃越作用,可以有效增強金剛石聚晶層的結合強度[15]。有研究表明[16],在PDC材料燒結過程中,硬質合金基體中的Co在金剛石層中的熔滲掃越作用受到金剛石微粉原料粒徑的影響:金剛石微粉原料越細,熔滲掃越阻力越大,燒結中Co熔滲作用時間越長;金剛石微粉原料越粗,則熔滲掃越阻力越小,燒結中Co熔滲作用時間越短。

齒形結構決定了截齒工作時與截割對象接觸的受力情況[17],必須保證截齒在較小的受力狀態下得以更好的工作,從而提高復合煤截齒的壽命。硬質合金基體的形狀和金剛石聚晶層與硬質合金基體結合界面曲線形狀在很大程度上影響了金剛石聚晶層與合金基體的結合強度。將聚晶過渡層與工作層之間的結合面采取多段圓弧輪廓的設計,中間圓弧向上凸起,周邊圓弧則向齒身軸線處內凹,且各相鄰的兩圓弧相外切,形成平滑過渡。這樣設計不僅能夠增大兩層聚晶層的接觸面積提高結合強度,還可以給外層的聚晶工作層提供一個沿中軸線向上的承載力,使其在受到沖擊時不容易發生脫落。

4 結論

本文所研制的金剛石復合煤截齒,通過加入過渡聚晶層設計并優化過渡層粉料配方以降低內應力;增加硬質合金界面處的金剛石粒徑以加快Co熔滲速度;將各層之間的結合面設計成多段圓弧曲線以增加結合面積,有效解決煤截齒金剛石聚晶層在工作沖擊狀態下的易破碎脫落問題,使之沖擊性能達到:在單次沖擊功為200 J時,累計可承受超過2 000次的沖擊次數,即累計沖擊功達到400 000 J而不發生齒體破壞和金剛石聚晶層脫落現象。