煤礦用截齒失效研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

高 英

（煤炭科學(xué)研究總院太原研究院，山西 太原 030006）

礦用截齒是煤炭工業(yè)采掘工程中采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)等礦用機(jī)械裝備用來破巖落煤用的刀具，截齒在工作過程中，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，造成失效，使得截齒消耗量較大。截齒在煤機(jī)裝備使用中屬易損件，是更換量最大的煤礦機(jī)械零件之一。目前，國內(nèi)外使用的截齒主要有兩類，割刀型截齒和鎬形截齒，其中鎬形截齒應(yīng)用較廣。該兩類截齒的共同特點(diǎn)，是在截齒前端中心孔中鑲嵌硬質(zhì)合金頭，硬質(zhì)合金頭采用釬焊技術(shù)鑲焊在刀體頭部的中心孔中。

1 截齒的失效形式

截齒在截割煤巖時，承受高的壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力和沖擊負(fù)荷，以及由于磨損熱使截齒刀頭磨損表面產(chǎn)生600～800℃的高溫，使截齒齒頂產(chǎn)生高溫回火，硬度下降50%[1]，加速了截齒的失效過程。

1.1 截齒磨損

截齒在截割煤巖過程中，通過敲擊摩擦實(shí)現(xiàn)破巖落煤的功能，磨損是截齒失效的主要形式。根據(jù)磨損理論，煤巖對金屬的磨損屬于磨料磨損。在干摩擦狀態(tài)下，煤中的硬礦物（如石英、黃鐵礦等）是造成截齒磨損的主要因素。由于井下環(huán)境介質(zhì)的腐蝕作用，截齒的磨損還有少量的腐蝕磨損，在煤巖水漿腐蝕磨損中，介質(zhì)的腐蝕作用，也進(jìn)一步加劇了截齒的磨損。

截齒磨損失效主要有兩種形式：刀頭（硬質(zhì)合金）磨損和刀體（與硬質(zhì)合金接觸的錐體部分）磨損。刀頭磨損主要是硬質(zhì)合金在疲勞載荷下產(chǎn)生破碎脫落，刀體磨損是由于截齒刀體本身合金元素含量較低，耐磨性能差所至，其結(jié)果是容易造成合金頭裸露脫落。磨損是截齒失效的主要原因之一。

1.2 硬質(zhì)合金頭脫落

當(dāng)截齒刀體的錐體部分磨損到一定程度后，其齒尖的硬質(zhì)合金（割刀形截齒為合金片，鎬形截齒為合金頭）將受彎曲應(yīng)力導(dǎo)致脫落。刀頭脫落的原因主要有：

（1）刀頭和刀體間釬焊存在質(zhì)量問題，未能達(dá)到要求的焊接強(qiáng)度，如焊接處存在夾砂、微裂紋以及虛焊等缺陷；

（2）刀體在使用過程中磨損過度，尤其是發(fā)生刀體的偏磨現(xiàn)象，容易造成刀頭裸露而脫落。脫落刀頭的截齒將發(fā)生快速磨損，應(yīng)及時更換，否則將造成齒座的磨損。

1.3 硬質(zhì)合金頭碎裂（崩刃）

截齒截割煤巖時，在頻繁的沖擊載荷作用下，刀頭處于高壓應(yīng)力狀態(tài)。若遇到煤巖中堅硬的礦料，在齒刃與煤巖接觸不良處承受高的剪應(yīng)力，處于拉應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)拉應(yīng)力超過合金的強(qiáng)度極限時，即發(fā)生碎裂。對于刀形齒來說，表現(xiàn)為合金片的斷裂，而鎬形齒為鑲嵌刀尖的折斷[2]。造成硬質(zhì)合金頭碎裂的原因主要有：

（1）硬質(zhì)合金中含有雜質(zhì)，晶粒不均勻，部分合金中有裂紋；

（2）硬質(zhì)合金壓制工藝比較落后，合金密度差大、孔隙多、硬度低。

合金頭碎裂后，截齒缺乏銳利的合金齒尖，使得截割阻力加大，影響截割效率，并加劇截齒齒體的磨損。

1.4 截齒丟失

在實(shí)際使用過程中，截齒的丟失現(xiàn)象是普遍存在的問題。截齒丟失的主要原因，在于截齒固定不可靠或固定裝置磨損等等。

綜合起來，截齒的主要失效形式有：磨損（包括硬質(zhì)合金刀頭、齒體）、硬質(zhì)合金刀頭脫落、刀頭碎裂（崩刃）及截齒丟失等。

研究證明，隨著截齒截割煤巖條件的不同，其失效形式也各不相同，對于軟質(zhì)煤巖或夾矸少的地質(zhì)環(huán)境，截齒失效以磨損為主；對于硬質(zhì)煤巖或夾矸多的地質(zhì)條件，截齒失效多以硬質(zhì)合金頭崩碎、丟失和桿斷為主[3]。

2 提高截齒耐磨性的技術(shù)對策趨勢

為了適應(yīng)煤炭生產(chǎn)高效、安全的要求，尤其是掘進(jìn)機(jī)向半煤巖巷、巖巷的挺進(jìn)，滿足新型采掘機(jī)械裝備對截齒的要求，截齒性能應(yīng)具有低比能耗、大塊度煤炭、降低粉塵濃度、高強(qiáng)度、高耐磨性、自旋轉(zhuǎn)、工作可靠、壽命長等特點(diǎn)。為了提高截齒的耐磨性能，延長使用壽命，目前常用的工藝措施如下：

2.1 采用可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動的截齒

增大刀頭直徑D與固定軸直徑d的比值，使得截割中刀齒在齒座中自動旋轉(zhuǎn)，刀齒的旋向使刀尖自動刃磨，提高截齒的壽命[4]。

2.2 利用熱噴涂技術(shù)對截齒進(jìn)行處理

熱噴涂是利用一種熱源，將噴涂材料加熱至熔融狀態(tài)，并通過氣流吹動，使其霧化高速噴射到零件表面，以形成噴涂層的表面加工技術(shù)[5]。熱噴涂技術(shù)可在金屬基體上沉積陶瓷涂層，將陶瓷耐高溫、耐磨、耐蝕等特性與金屬材料的強(qiáng)韌性、可加工性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性等特性結(jié)合起來，以獲得理想復(fù)合涂層制品，已成為當(dāng)今復(fù)合材料及制品研制領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。

采用熱噴涂工藝，在采煤機(jī)截齒體頭部噴焊一層高硬度耐磨合金，該合金層與截齒體具有良好的冶金結(jié)合，具有高硬度耐磨不脆裂的特點(diǎn)，其壽命比傳統(tǒng)的鑲嵌硬質(zhì)合金截齒高0.5～1.0倍左右，且制備工藝簡單[6]。

2.3 利用堆焊技術(shù)對截齒進(jìn)行處理

在傳統(tǒng)鑲嵌硬質(zhì)合金頭位置的截齒頭部，利用堆焊技術(shù)，按截齒形狀要求分層堆焊出截齒頭部。堆焊涂層的主要合金元素為W、Cr、V，且合金元素含量與W系高速鋼基本一致，涂層處于熔融狀態(tài)，因此涂層結(jié)構(gòu)類似鑄造高速鋼組織，其組織由骨骼狀的共晶萊氏體和奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物組成，保證涂層具有較高的硬度與耐磨性。涂層硬度為660.6HV，雖然不如硬質(zhì)合金的高，但是相比之下，涂層的抗沖擊性能要優(yōu)于硬質(zhì)合金，較適合于煤層中含有夾矸或有斷層的情況[7]。

2.4 利用等離子束表面冶金對截齒進(jìn)行處理

等離子束表面冶金技術(shù)，本質(zhì)上是一種快速非平衡冶金反應(yīng)過程，原則上可不受組成物的相溶性、熔點(diǎn)、密度等性質(zhì)的限制，可利用任意粉末的任意配比，獲得通常冶金方法不能得到的合金層。它是在噴涂、熔覆、堆焊之后發(fā)展起來的涂層技術(shù)[8]，在傳統(tǒng)的熱處理工藝基礎(chǔ)上，對截齒齒體進(jìn)行等離子束表面冶金，可以獲得耐磨抗沖擊涂層，與用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的同型號截齒相比，壽命提高2倍以上，制造成本降低了20%，具有十分顯著的推廣應(yīng)用價值[9]。

2.5 采用鑲鑄工藝制造截齒

鑲鑄截齒，是采用在鑄型型腔中放硬質(zhì)合金，然后澆注鐵液一次成型。解決了釬焊截齒所存在的問題。通過調(diào)整鑄件合金元素的加入量，使截齒體具有較好的耐磨性和韌性，同時使硬質(zhì)合金和截齒體之間達(dá)到冶金結(jié)合，顯著提高硬質(zhì)合金和截齒體之間結(jié)合力。而且簡化了工藝，降低了成本，并顯著提高了使用壽命，與鍛造釬焊截齒相比，綜合壽命提高4倍以上[10]。

2.6 采用“三高”制粉工藝生產(chǎn)硬質(zhì)合金頭

采用“三高”制粉工藝生產(chǎn)硬質(zhì)合金頭材料，具有以下特點(diǎn)：

（1）選用“三高”制粉工藝生產(chǎn)的合金原料純度高，雜質(zhì)含量低鎢粉還原和碳化溫度高，碳化鎢結(jié)晶較完整，避免了特別粗大的碳化鎢晶粒的出現(xiàn)，減少了合金潛在的裂源；

（2）采用鈷相非均勻合金制造工藝制取硬質(zhì)合金頭，兼有高鈷合金的高韌性和低鈷合金的高耐磨性及粗晶粒合金的高韌性和細(xì)晶粒合金的高耐磨性等特點(diǎn)；

（3）采用二次加料壓制成型的新工藝，可克服通常采用的手壓模成型出現(xiàn)的缺陷，使硬質(zhì)合金頭的密度基本趨向一致；

（4）主要力學(xué)性能指標(biāo)：硬度HRC89、強(qiáng)度σb=2650 MPa，沖擊韌性 aK=16 J/cm2[11]。

采用“三高”制粉工藝生產(chǎn)硬質(zhì)合金頭技術(shù)研制的礦用截齒被應(yīng)用于EBJ-120TP型掘進(jìn)機(jī)，在平頂山煤業(yè)集團(tuán)一礦進(jìn)行的井下工業(yè)性試驗中取得了好的效果。試驗期間共掘進(jìn)進(jìn)尺792m，掘進(jìn)斷面13m2，其中巖巷進(jìn)尺45m，半煤巖巷進(jìn)尺40m，巖石硬度f=6～8的條件下，截齒共消耗5把，折合0.0006把/m3（實(shí)體）。截齒消耗低于原所用截齒的指標(biāo)，其抗磨損性能和抗沖擊性能有了較大的提高[12]。

2.7 合金頭采用硬質(zhì)合金表面燒結(jié)金剛石

針對硬質(zhì)合金頭容易發(fā)生碎裂的現(xiàn)象，目前有些企業(yè)正在研究在傳統(tǒng)硬質(zhì)合金頭表面燒結(jié)一層金剛石，從而進(jìn)一步提高合金頭切割硬巖的能力，同時利用表面處理技術(shù)，處理截齒的錐體部分，使得合金頭與齒柄部分的耐磨性均能夠大幅度的提高。

3 結(jié)束語

煤礦生產(chǎn)，環(huán)境惡劣，截齒工況苛刻，每年因截齒失效造成的經(jīng)濟(jì)損失大得驚人。政府和相關(guān)部門應(yīng)對截齒可靠性研究給予高度重視。重視摩擦學(xué)理論與設(shè)計的應(yīng)用，充分發(fā)揮現(xiàn)代表面工程技術(shù)的作用，加速抗磨材料的研發(fā)，加強(qiáng)截齒的維護(hù)和管理。解決礦用截齒在研發(fā)設(shè)計、制造工藝、針對不同地質(zhì)條件的選型和使用等方面存在的問題，進(jìn)一步提高截齒的壽命，可以大大降低截齒損耗，進(jìn)一步提高煤炭生產(chǎn)效益，降低成本，很好地適應(yīng)高產(chǎn)高效礦井建設(shè)和硬巖掘進(jìn)的需要。

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