新型礦用截齒水溶性銅焊劑的研制和接頭性能研究

張春紅，張 寧，趙常柏，強(qiáng)穎懷

（1.徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，江蘇徐州221006；2.徐州工程學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，江蘇徐州221018；3.中國礦業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，江蘇徐州221116）

新型礦用截齒水溶性銅焊劑的研制和接頭性能研究

張春紅1，張 寧2，3，趙常柏1，強(qiáng)穎懷3

（1.徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，江蘇徐州221006；2.徐州工程學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，江蘇徐州221018；3.中國礦業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，江蘇徐州221116）

礦用截齒主要用于礦山采煤、巷道掘進(jìn)等基礎(chǔ)挖掘，因此截齒的性能好壞直接影響了采煤能力的發(fā)揮、掘進(jìn)效率和工具的使用壽命。實(shí)驗(yàn)以HL105銅焊片為釬料，自制水溶性銅釬焊釬劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的脫水硼砂，采用爐中釬焊的方法將截齒齒體和硬質(zhì)合金齒頭連接起來。結(jié)果表明：研制的新型水溶性銅釬劑可以使釬料完全填充間隙，釬縫充盈度最高，焊接接頭強(qiáng)度和韌性得到很大提高，達(dá)到截齒抗剪強(qiáng)度的優(yōu)等水平。

截齒；銅釬劑；顯微組織

0 前言

采煤機(jī)通過截齒破碎巖石，截齒在切割時(shí)，煤巖的反作用力使截齒的工作應(yīng)力非常復(fù)雜。不僅受壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力作用，而且在遇有雜礦等硬的礦物時(shí)還受沖擊載荷作用，加之工作過程中劇烈的摩擦使得截齒溫度急劇升高，造成齒頭早期脫落，加速截齒的磨損失效，成為采煤機(jī)上損耗最大的元件[1]。目前國產(chǎn)截齒由硬質(zhì)合金齒尖和中碳低合金鋼齒體兩部分組成，用釬焊連成一體。截齒的失效形式主要有硬質(zhì)合金頭的脫落、崩刃、磨損和齒體的彎曲、折斷等，其中合金頭脫落是最常見的損壞形式，因此截齒的釬焊質(zhì)量越來越受到重視[2]。國產(chǎn)截齒與國外的主要差距一是外觀質(zhì)量與制造精度差，二是硬質(zhì)合金頭與母體間焊縫充盈度不足，并存在焊縫裂紋等缺陷[3]。

本實(shí)驗(yàn)采用爐中釬焊的方法，釬劑分別為自制303B水溶性銅釬劑和一般用脫水硼砂，進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，分析釬焊接頭各項(xiàng)性能。通過調(diào)整釬劑的稀釋比例和熱處理方式，比較釬縫的焊接質(zhì)量、釬縫充盈度和表面形貌，研究截齒釬焊接頭的金相組織、顯微硬度和剪切強(qiáng)度，綜合對比分析，評價(jià)自制新型水溶性銅釬劑的性能，探索提高截齒釬焊質(zhì)量、增強(qiáng)接頭力學(xué)性能的方法，從而提高礦用截齒的抗沖擊性能，延長截齒的使用壽命。

1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用鎬型截齒如圖1所示，截齒齒體材料為42CrMo合金鋼，齒頭為YG15硬質(zhì)合金，其主要化學(xué)成分為w（WC）85%和w（Co）15%。釬料為HL105銅焊片，釬劑分別為脫水硼砂和自制303B水溶性銅釬劑，銅釬劑的主要成分為50%～60%硼酸、4%～8%硼砂、Al、Si、P等化合物。釬焊實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

焊前必須進(jìn)行表面處理，對硬質(zhì)合金頭進(jìn)行磨片或噴砂，去除表面疏松的氧化層表皮和油污，然后通過研磨拋光進(jìn)行鈍化處理，用水清洗。一般認(rèn)為，對焊縫強(qiáng)度影響最大的因素是焊縫的性質(zhì)、厚度和均勻程度，必須保證焊接零件有較高的精度和較低的表面粗糙度值[4]。對于截齒齒體的槽孔，主要是去除其銹跡和毛刺。隨后進(jìn)行配片操作，將自制水溶性銅釬劑與水按5∶5和4∶6進(jìn)行配比后，在齒尖的槽孔內(nèi)加入適量的釬劑，再平鋪上HL105銅焊片，最后塞入硬質(zhì)合金頭，如圖2所示。

釬焊過程中，釬料配合釬劑要能潤濕母材，自由鋪展流入到釬縫中，填滿全部間隙。此時(shí)截齒焊縫間隙的選擇就成為關(guān)鍵因素，它影響到焊縫的致密性和強(qiáng)度[5]。釬焊異種材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)兩部件的相對位置和形狀來確定釬縫間隙。42CrMo合金鋼與YG15硬質(zhì)合金的線膨脹系數(shù)相差很大（硬質(zhì)合金的線膨脹系數(shù)大約為鋼的1/3），如果釬縫間隙很小，釬焊接頭的殘余應(yīng)力不能得到有效的釋放，接頭較易在硬質(zhì)合金側(cè)斷裂，難以提高接頭強(qiáng)度，應(yīng)適當(dāng)增大釬縫間隙。選用HL105銅焊料時(shí)，截齒焊縫間隙一般為0.105～0.25 mm，硬質(zhì)合金下端加工成錐臺的形狀是為了保證硬質(zhì)合金周圍焊縫間隙的均勻一致性[6]。

爐中釬焊溫度選擇930℃，1#、2#試樣釬焊后先冷卻至850℃，然后油淬，緊接著200℃回火。3#試樣釬焊后空冷至室溫。熱處理后的試樣采用機(jī)床車削和線切割的方法將截齒齒頭切開，首先進(jìn)行外觀檢查，對釬縫充盈度進(jìn)行理論分析，對釬焊接頭的質(zhì)量作出初步判斷。采用金相砂紙進(jìn)行磨制，之后在拋光機(jī)上研磨拋光。對制備好的試樣進(jìn)行腐蝕，42CrMo用4%的硝酸酒精，釬縫用氯化鐵和鹽酸混合溶液（FeCl35 g，HCl 10 ml，H2O 100 ml），硬質(zhì)合金頭用20%的氰化鐵和20%的氫氧化鉀的混合液。金相組織在OLYMPUS PMG3型電子顯微鏡上觀察，釬焊后截齒齒頭用體式顯微鏡分析，計(jì)算釬縫充盈度，釬縫過渡層形貌采用FEI Inspect S50掃描電子顯微鏡觀測，并用HV-1000型顯微硬度計(jì)測量焊縫過渡區(qū)顯微硬度，最后在SANS萬能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上測定截齒齒頭的抗剪強(qiáng)度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 釬縫充盈度分析

車削后的1#和3#硬質(zhì)合金頭如圖3所示。1#試樣的釬焊采用脫水硼砂作釬劑，硬質(zhì)合金頭側(cè)面以下部位和底面中心部位沒有釬料痕跡，近一半面積都沒有釬焊上，斷面還存有較多的夾渣；而采用自制303B銅釬劑釬焊的3#試樣，釬料濕潤性很好，釬焊處較光滑。另外2#試樣的釬焊效果較1#試樣好些。這說明研制的銅釬劑能使釬料更好的填充間隙，很好的去除焊接表面的氧化物和雜物。

對線切割加工后的齒頭進(jìn)行釬縫充盈度檢查，如圖4所示。圖4a中1#試樣釬焊效果很差，釬料沒有很好填充，底部存在大范圍孔隙。圖4b中2#試樣釬料填充較好，但是斜面和底面還有部分孔隙。而圖4c中釬焊質(zhì)量最好，幾乎未見孔洞，再結(jié)合準(zhǔn)確的鉆孔公差，將大大提高釬焊連接質(zhì)量。

釬縫充盈度的計(jì)算公式為[7]

式中 A為充滿度；L為實(shí)際測量的釬縫長度（單位：mm）；Lj為理論計(jì)算釬縫長度（單位：mm）。經(jīng)測量和計(jì)算，1#～3#試樣釬縫的充盈度分別為68.8%、94.2%和98.8%。2#、3#試樣采用自制銅釬劑釬焊的截齒，其充盈度完全滿足使用要求。然而1#試樣的充盈度遠(yuǎn)低于2#、3#試樣，釬焊質(zhì)量很差，硬質(zhì)合金和鉆孔不能完全緊密連接，實(shí)際使用過程中將過早脫落。

2.2 釬縫形貌觀察

金相顯微鏡和掃描電鏡觀察的釬焊焊縫如圖5所示，通過測量，釬焊焊縫寬度大概50 μm，且與40Cr和硬質(zhì)合金熔合部位無孔隙，釬料完全濕潤，釬焊排渣效果較好，焊縫結(jié)合良好。

2.3 顯微組織分析

1#截齒經(jīng)油淬處理，齒體42CrMo的顯微組織為針狀馬氏體和殘余奧氏體，如圖6a所示。3#截齒焊后空冷，齒體的顯微組織為鐵素體和細(xì)珠光體，見圖6b。雖然珠光體的塑韌性高于馬氏體組織，但強(qiáng)度、硬度低，因此3#截齒的強(qiáng)度低，耐磨性差，采用此種工藝處理的截齒在截割煤巖時(shí)齒體易磨損，造成齒尖的脫落。從而應(yīng)采用油冷的方式，得到馬氏體組織，進(jìn)一步提高截齒齒體的強(qiáng)度和耐磨性。

截齒齒頭YG15硬質(zhì)合金的顯微組織如圖7所示，1#和3#截齒的金相組織為WC硬質(zhì)相和白色Co粘結(jié)相。圖7a中采用油淬的硬質(zhì)合金頭的晶粒較均勻且細(xì)小，使得材料的強(qiáng)度、硬度和韌性得到強(qiáng)化提高。

1#截齒釬縫熔合區(qū)的顯微組織如圖8所示，釬縫區(qū)HL105銅焊片顯微組織為α+β。α相為Zn在Cu中的固溶體，β相為脆硬相，是以CuZn為基體的固溶體[8]。由圖還可以清晰的看到流入到40Cr邊緣的部分釬劑，當(dāng)釬劑流入40Cr和硬質(zhì)合金中間時(shí)，釬劑會深入一些縫隙，使得焊接接頭更加緊密。也可以清晰的看到釬料對硬質(zhì)合金的融合遠(yuǎn)沒有40Cr那么明顯，這是因?yàn)橛操|(zhì)合金的硬度比較高的緣故。

2.4 顯微硬度測定

測量釬縫過渡區(qū)硬度時(shí)，從外部齒體部位開始，沿著一條直線向內(nèi)部的釬焊區(qū)和硬質(zhì)合金測量硬度，每個(gè)部位測量四個(gè)點(diǎn)，試樣表面顯微硬度壓頭凹痕如圖5b所示。顯微硬度曲線圖如圖9所示，由圖可知，硬度呈梯度漸變，釬焊區(qū)的顯微硬度低于齒體40Cr和齒頭硬質(zhì)合金，具有一定的塑韌性，在截齒破碎煤巖時(shí)可以起到緩沖的作用。

2.5 剪切強(qiáng)度分析

1#～3#試樣的抗剪強(qiáng)度如圖10所示，即1#＜2#＜3#。按照截齒抗剪強(qiáng)度的判定標(biāo)準(zhǔn)，高于180 MPa為合格，達(dá)到230 MPa為優(yōu)等。因此以一般脫水硼砂為釬劑釬焊的截齒，抗剪強(qiáng)度只達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。而采用自制水溶性銅釬劑釬焊的截齒，在不同的熱處理方案中，其抗剪強(qiáng)度均為優(yōu)等，且3#試樣抗剪強(qiáng)度最高。

3 結(jié)論

（1）采用傳統(tǒng)的脫水硼砂和自制303B水溶性銅釬劑對礦用截齒分別進(jìn)行釬焊對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：研制的新型水溶性銅釬劑能夠較大提高焊接接頭強(qiáng)度和韌性，達(dá)到截齒抗剪強(qiáng)度的優(yōu)等水平。

（2）自制水溶性銅釬劑與水的比例為4∶6時(shí)，釬料完全填充間隙，釬焊排渣效果好，釬縫充盈度最高，熔合區(qū)無夾雜、孔洞等明顯的冶金缺陷，形成非常優(yōu)良的冶金結(jié)合層，優(yōu)于工廠生產(chǎn)的截齒。

（3）調(diào)整釬劑與水的配比，采用油淬熱處理工藝，使齒體獲得針狀馬氏體，細(xì)化齒頭晶粒組織，進(jìn)一步提高釬焊質(zhì)量，達(dá)到國外先進(jìn)水平，延長截齒的使用壽命。

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Development of shearer picks brazed by new water soluble copper brazing agent and property study on welded splice

ZHANG Chun-hong1，ZHANG Ning2，3，ZHAO Chang-bai1，QIANG Ying-huai3
（1.Department of Mechanical Engineering，Xuzhou Bioengineering Technical College，Xuzhou 221006，China；2. School of Mechanical&Electrical Engineering，Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou 221018，China；3.School of Materials Science and Engineering，China University of Mining&Technology，Xuzhou 221116，China）

The cutting pick is primarily used in footing excavation such as coal mining and roadway excavation，so the performance of cutting tooth directly affect the mining capacity，the driving efficiency，and the service life of the tool.By using HL105 brazing piece as filler metal and the water soluble copper brazing agent made by self instead of dehydrated borax，the cutting pick body and cemented carbide head were connected together with furnace brazing technology.The experimental results show that the solder filled the gap completely by the new water soluble copper brazing agent，and the filling degree of brazing seam was the highest.Thus the strength and toughness of the shearer pick connector improved greatly，and reached the top horizontal shear strength of shearer picks.

cutting pick；copper brazing agent；microscopic structure

TG425

：A

：1001-2303（2014）02-0094-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.23

2013-04-22；

2014-01-20

江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2013 144-01003Y）；徐州工程學(xué)院科研項(xiàng)目（XKY2011209）

張春紅（1978—），女，山東菏澤人，講師，碩士，主要從事材料焊接技術(shù)，模具設(shè)計(jì)的工作。