合理選擇采煤機截齒耐磨堆焊材料

胡建平，馬作強

（北京固本科技有限公司 北京 100081）

0 引言

采煤機截齒一般選用35CrMo 或42CrMo 鋼為母材， 在截齒工作端釬焊硬質(zhì)合金。 在工作中，硬質(zhì)合金起到切削煤巖的作用，42CrMo 鋼對硬質(zhì)合金起到支撐保護作用。 但由于42CrMo 鋼硬度低，耐磨性差，在實際工作中由于42CrMo 的過早磨損， 特別是釬焊硬質(zhì)合金后，42CrMo 鋼受到釬焊過程高溫加熱淬火的影響，導致42CrMo 組織發(fā)生變化更易被磨損。采煤機截齒母材磨損后，硬質(zhì)合金失去了支撐體，造成硬質(zhì)合金的脫落， 導致截齒的快速失效。為了延長截齒使用壽命，采煤機截齒生產(chǎn)廠會在截齒硬質(zhì)合金周圍堆焊耐磨層。 文獻[1]詳細介紹了采煤機截齒的磨損原理，確定截齒磨損屬于典型的磨粒磨損。 為選擇出耐磨損、適用于截齒堆焊的耐磨材料，我公司進行了大量的試驗研究。耐磨堆焊是通過電弧熔化合金元素，使耐磨合金元素沉積到工件表面， 形成具有抗磨損性能的合金保護層。要想充分發(fā)揮耐磨堆焊的優(yōu)勢必須解決好兩方面的問題：一是正確選用堆焊材料；二是制定合理的焊接工藝。

1 耐磨堆焊材料的選擇

根據(jù)采煤機截齒的磨損形式，選取了4 種堆焊材料：天津生產(chǎn)的高鉻鑄鐵耐磨焊絲，牌號為YD628；山東生產(chǎn)的馬氏體合金耐磨焊絲，牌號為D212；上海生產(chǎn)的等離子弧焊粉末， 牌號為Ni60WC； 北京固本生產(chǎn)的碳化鈮耐磨焊絲，牌號為KB515。

2 耐磨堆焊材料的工藝性比較

每種堆焊材料配合適當?shù)暮附庸に?，才能發(fā)揮出最佳效果。 焊接工藝的比較主要分為兩方面，第一：焊接設備，主要包括設備的購置費用、操作難易程度、以及維護成本等；第二：焊接過程，包括電弧的穩(wěn)定性、 煙塵及飛濺大小、焊縫成型情況、有無裂紋等。

從表1 看出， 對于截齒堆焊設備，從降低成本，實用性方面講，建議使用二氧化碳氣體保護焊。等離子弧堆焊的主要問題是設備購置成本高，操作復雜和維護不方便。 另外，二氧化碳氣體保護焊所使用的耐磨堆焊材料具有絕對的成本優(yōu)勢。

表1 焊接設備比較

對于堆焊材料，見表2。 D628 焊絲在焊接過程中飛濺較大，屬于大顆粒飛濺，焊縫成型一般。 D212 焊絲焊接飛濺和成型相對較好，但焊后需要清理焊渣， 偶爾會出現(xiàn)焊渣除不凈和夾渣現(xiàn)象。 KB515 焊絲在焊接過程中飛濺較小，屬于小顆粒飛濺，焊后成型美觀。等離子弧堆焊過程中， 幾乎無飛濺物產(chǎn)生， 焊后焊縫美觀。 4 種材料中只有D628 焊后出現(xiàn)不規(guī)則的裂紋。

表2 焊接過程比較

3 堆焊層裂紋對截齒的影響

D628 焊后出現(xiàn)裂紋主要有兩方面原因：第一，從成分方面講，D628 屬于高鉻合金， 其合金本身的淬硬性大，容易開裂；第二，從金相方面講，D628 高鉻合金主要依靠鉻的碳化物Cr7C3來抵抗磨損，但Cr7C3碳化物尺寸粗大，與基體熱膨脹系數(shù)不同，焊后冷卻過程中導致Cr7C3碳化物與基體結(jié)合處萌生裂紋源。將焊有D628 焊絲的截齒進行感應加熱和淬火，由于冷卻速度非?？欤薮蟮氖湛s拉應力將導致裂紋擴展。 擴展后的裂紋，使截齒齒體產(chǎn)生裂紋，甚至拉裂硬質(zhì)合金，導致截齒在使用過程中，沿裂紋方向脫落，失效，見圖1。

圖1 裂紋導致齒體和硬質(zhì)合金拉裂

4 耐磨堆焊材料硬度、金相及磨粒磨損分析

將4 種材料堆焊到42 CrMo 截齒上，感應加熱到850 ℃，釬焊硬質(zhì)合金淬火后，打磨拋光耐磨層，測試耐磨層洛氏硬度值，見表3。

表3 感應加熱850℃后堆焊材料硬度值比較

將4 種堆焊材料堆焊的試樣鋼板，采用線切割，制作尺寸為55mm×25mm×12mm 的磨損試樣。 磨粒磨損試驗采用MLS-225 型濕式橡膠輪磨粒磨損試驗機，試驗參數(shù)如下：橡膠輪轉(zhuǎn)速為240 r/min、橡膠輪硬度 60（邵爾硬度）、載荷分別為100 N， 磨料為0.212 mm～0.425 mm 的石英砂、預磨1000 轉(zhuǎn)，精磨6000轉(zhuǎn)，相對耐磨性見圖2。

圖2 堆焊材料相對耐磨性

堆焊層耐磨性主要依靠耐磨層中高硬度碳化物硬質(zhì)相來抵抗磨損，耐磨性主要取決于碳化物硬質(zhì)相的種類、大小和分布。 碳化物硬質(zhì)相硬度越高，分布越致密，則耐磨性越強。D212 堆焊層金屬屬于鐵基馬氏體合金，堆焊層中無抵抗磨損的硬質(zhì)相， 耐磨性最差。Ni60WC 堆焊層屬于鎳基金屬，在抗高溫方面具有優(yōu)勢，Ni60WC 堆焊粉末中碳化鎢的存在保證了其耐磨性。 D628與KB515 兩種材料為鐵基金屬， 堆焊層中含有大量的碳化物硬質(zhì)相，能夠抵抗磨損。D628 主要依靠粗大的Cr7C3抵抗磨損，Cr7C3顯微硬度值為1800 HV，碳化物硬質(zhì)相顯微硬度低，因此耐磨性一般。 KB515 主要依靠碳化鈮（NbC）抵抗磨損，碳化鈮顯微硬度[2]高達2400 HV，因此 KB515 比 D628 更加耐磨。 圖3 所示堆焊層金相組織，圖中深色塊狀相即為高硬度碳化鈮，其彌散地分布在鐵基馬氏體上和殘余奧氏體上，保護基體不受磨損。 碳化鈮尺寸小，在堆焊層中約 5μm，與高鉻碳化物（40～60μm）相比，其分布更致密更均勻。 在KB515堆焊層中， 由于碳化物的尺寸大大減小， 單位面積內(nèi)的碳化物分布更密集，因此在受到?jīng)_擊載荷時，單個碳化物上承受的沖擊力會大幅降低，整個堆焊層的耐沖擊性能， 抗開裂能力顯著提高，保證焊后無裂紋，耐磨層在使用過程中不開裂脫落。

圖3 碳化鈮堆焊層金相組織

5 耐磨堆焊材料的選擇

圖4 高鉻堆焊層金相組織

圖5 馬氏體堆焊層金相組織

根據(jù)試驗結(jié)果和實際應用情況選出最佳的耐磨堆焊材料。針對采煤機截齒工作工況，含有碳化物硬質(zhì)相的堆焊層具備較好的耐磨性。截齒工況要求堆焊材料堆焊后表面無裂紋，以防止高溫淬火和沖擊工況下堆焊層裂紋擴展到截齒齒體和硬質(zhì)合金。本著滿足采煤機截齒使用要求的前提，根據(jù)4 種堆焊材料的硬度、抗脫落性以及耐磨性試驗結(jié)果等綜合考慮， 推薦使用北京固本KB515 型耐磨焊絲。

對于堆焊工藝，二氧化碳氣體保護焊與等離子弧焊相比，焊絲截齒堆焊具有低成本，低能耗、低勞動強度、設備利用率高等優(yōu)點，更適用于采煤機截齒的耐磨堆焊。

6 結(jié)論

由試驗結(jié)果，確定堆焊工藝采用二氧化碳氣體保護焊，堆焊材料使用耐磨性好，焊后無裂紋的KB515 耐磨焊絲。

合理地選用堆焊材料對提高采煤機截齒堆焊技術(shù)具有重大的經(jīng)濟意義，可促進截齒質(zhì)量的不斷提高，保護硬質(zhì)合金，從而達到延長采煤機截齒使用壽命的目的。

[1]申勝利.采煤機和掘進機截齒的失效分析及對策[J].煤礦機械，2005（7）：53～55.

[2]牛薪，王文麗，袁斌 等.原位生產(chǎn)NbC 顆粒增強鎳基激光熔覆層 [J]. 中國激光，2006（7）：987～992.