截齿损坏形式分析

通过对国内截齿损坏形式的调研和对一些国内外截齿的解剖分析及抗冲击性能试验,截齿失效原因主要有以下几方面:

抗冲击性能低

通过大量观察损坏的截齿,发现多数截齿的损坏不是正常磨损失效,尤其在硬岩截割中更为严重。原因如下。

(1)合金刀头的性能差。国产合金中有石墨杂质,晶粒分布不均匀,部分合金中有裂纹,这是造成硬质合金头崩裂的主要原因;其次是国产合金压制工艺比较落后,合金上下密度差大、孔隙多、硬度低。

(2)合金头钎焊残余应力大。由于合金刀头与齿体材料的热膨胀系数相差较大,且冷却时的收缩差随钎焊温度的增大而增大。国产截齿多采用铜锌钎料,其焊接温度达950℃以上,焊接残余应力较大。

(3)截齿齿体头部崩裂和偏磨使合金头过早失去保护支撑。其原因主要是国产原材料性能不稳定,部分原材料中心疏松严重,使截齿体内部有潜在裂纹。有的截齿在工作时不能自转,往往造成齿体的偏磨。

耐磨性差

耐磨性是指合金刀头和齿头部的耐磨性能。国产截齿合金一般含钴量偏高,组织不完整,密度低,硬度不高,致使截齿合金刀头耐磨性能差。而截齿头部则是由于原材料质量性能不稳定和截齿热处理工艺不当等原因,造成截齿头部有裂纹,硬度偏低,影响其耐磨性。

掉合金头

截齿掉合金头是截齿失效的主要形式之一。截齿掉合金头现象分为早期、中期和后期掉合金头。其中早期掉合金头所造成的危害最大,截齿在很短的工作时间里,钎焊在截齿体上的硬质合金刀头便从截齿体上掉下,致使截齿提前报废。截齿的早期和中期掉合金头的原因主要是焊缝质量差,强度低,截齿体加工尺寸控制不严,造成焊缝间隙过大或过小,致使焊料流动困难,从而造成合金头“挤死”或“缺焊”。为此我国颁发的煤炭行业标准MT246 -1996《煤矿用截齿》中对截齿的焊缝提出了要求,要求钎焊焊缝的剪切强度≥180 MPa ,优质截齿的钎焊焊缝的剪切强度≥230 MPa ,另外要求焊缝内焊料充盈度不小于80%。截齿掉合金头另外的原因就是合金头钎焊工艺不当和焊前处理不好。截齿的后期掉合金头是因为截齿体前端的过度磨损使得硬质合金刀头过分突出,焊缝面积减小,从而导致焊缝强度不够造成截齿掉合金头。因此,要解决截齿后期掉合金头,除了提高钎焊质量和焊缝强度外,更重要的是提高截齿体前端的耐磨性。

提高截齿性能的技术途径

抗冲击、耐磨、无裂纹的硬质合金刀头研制

在硬质合金研究方面,与株洲硬质合金厂合作,对硬质合金进行了研究。通过对国内外硬质合金刀头的解剖分析,得出国外合金与国产合金的3项性能(磁力、比重、硬度)基本接近。在合金的显微结构上,也很难看出两者有很大差距。但是国外刀头的耐冲击性和耐磨性比较明显地优于国产刀头合金,主要是由于国产刀头合金原料纯度低,粉末成型工艺落后造成的。为此,对硬质合金新材质新工艺进行了研究。研制的截齿刀头选用了优质原料,改进成型工艺和合金制取工艺(高纯钨粉、高温还原、高温碳化)等3条技术措施,提高了截齿刀头的寿命。研制的合金具有高韧性、高耐磨性和高冲击性。

耐磨层的堆焊

为了解决截齿在采煤过程中的快速磨损失效问题，采用堆焊方式（或其他冶金方式）在截齿锥顶（硬质合金刀头）以下齿体部位，沿圆周方向堆焊一个宽度约20-30mm、厚度2-3mm的环形带。此环形带即称之为耐磨堆焊层。常用的耐磨堆焊材料为马氏体堆焊合金（Ｄ３１７，Ｄ３２７，ＤＧ７等）、高铬Fe-Cr-C合金系（Ｄ６８８，Ｄ６３８等）、碳化钨、碳化铌（北京固本牌KB515）等。从机理上讲，截齿耐磨堆焊层的作用是：1、弥补或改变因硬质合金刀头钎焊工艺在齿体圆周形成的性能劣化现象（指先热处理后钎焊工艺生产的截齿）。2、进一步优化或强化刀头部分使用性能。当然，采用先钎焊刀头后整体热处理截齿的制造工艺时，后者的作用更为突出。然而，实际情况并不简单，截齿耐磨堆焊层的出现和使用，将截齿刀头与被切割煤岩之间的磨擦、冲击等作用，转换为或部分转换为堆焊层与被切割煤岩之间的磨擦、冲击等作用。它们之间的磨擦磨损、冲击损伤等，不仅取决于两个接触体材料的特性及其匹配行为，同时还受到采煤过程中诸多因素的影响。

刀体材质的研究

目前国内掘进机截齿刀体的材料多为合金结构钢 ,这种材料在淬火低温回火或等温淬火后,有较高的综合机械性能,但该材料横向性能比纵向性能差,有明显的回火脆性等缺陷。为此,进行了用合金结构钢作为截齿体材料的研究。同样属于中淬透合金钢,该钢无回火脆性,调质后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力,与合金钢相比,更适合截齿的受力特性,试验结果表明,该钢制作的齿体头部的抗裂性能和冲击韧性要比钢种好。因此,合金结构钢比合金结构钢更适宜作截齿材料。

焊缝间隙的研究

截齿钎焊焊缝间隙的大小是影响焊缝致密性和焊缝强度的关键因素。间隙太小,妨碍钎焊料流入;间隙过大,破坏钎焊缝的毛细管作用,使钎料不能填满焊缝间隙。截齿的钎焊,是钢与硬质合金的异种材料焊接,考虑硬质合金的线膨胀系数是钢的1Π2～1Π3,因此钎焊缝间隙应比钢对钢焊接时稍小。通过对几组不同间隙焊缝的试验研究,试验结果表明截齿焊缝间隙一般为0. 08～0. 15 mm为宜,另外最好采用带锥面的合金头和带锥面的截齿体孔,以尽量保证硬质合金刀头周围焊缝间隙均匀一致。

钎焊及热处理工艺

钎焊及热处理工艺研究截齿的钎焊及热处理工艺是保证强力截齿质量和寿命的关键技术之一。目前国内截齿的生产工艺一般为以下2种:

(1)截齿体加工成形→钎焊硬质合金头→盐炉加热→硝盐等温淬火→回火。

(2)截齿体加工成形→盐炉加热→硝盐等温淬火→清洗→钎焊硬质合金头→回火。

第1种生产工艺,钎焊硬质合金头后盐炉加热再硝盐等温淬火。截齿体的硬度得到了保证,但硬质合金头在钎焊和硝盐等温淬火这一过程中,都经过了2次加热,从而使硬质合金头脆化,使截齿在使用过程中因硬质合金头崩裂和硬质合金头与截齿体焊接的开裂而大大缩短截齿的使用寿命。第2种生产工艺,硝盐等温淬火后钎焊硬质合金头,虽然焊缝的质量和硬质合金头的质量得到了保证,但截齿体头部的硬度却下降了,导致截齿体头部耐磨性大大降低,使得截齿在使用过程中硬质合金头过早脱落,同样也缩短了截齿的使用寿命。为此,采用截齿真空炉钎焊与热处理同时一次加热,使钎焊好的截齿直接进行淬火的工艺。该工艺具有以下显著特点:

(1)采用真空炉加热钎焊,避免了钎焊过程中钎焊表面与空气接触产生氧化,可使熔化的液态钎料与钎焊表面直接接触,产生湿润的填缝,以获得优质的钎焊质量。

(2)使钎焊好的截齿不经空冷直接淬火,避免了二次加热问题,又提高了齿体的综合机械性能。截齿的真空钎焊工艺流程为:清洗截齿体待焊部分、钎料和硬质合金刀头→烘干→装填焊料、硬质合金刀头→将截齿装入夹具内→入炉加热→冷却。

结语

通过上述技术措施研制的矿用截齿被应用于EBJ-120TP型掘进机上,在平顶山煤业集团一矿进行的井下工业性试验中取得了好的效果。试验期间共掘进进尺792m,掘进断面13m2,其中岩巷进尺45m,半煤岩巷进尺40m,岩石硬度f=6～8的条件下,截齿共消耗5把,折合0. 0006把Πm3(实体)。截齿消耗低于原所用截齿的指标,其抗磨损性能和抗冲击性能有了较大的提高。研究成果表明,我国截齿研究制造水平上了一个新台阶,国产截齿的质量基本能达到进口截齿的质量水平,甚至可以完全替代进口截齿。