延長礦用截齒使用壽命的技術(shù)途徑

太原市機電配件廠(山西 030012)王保國

一、截齒的失效形式分析

截齒在截割工況條件惡劣的煤巖時，要瞬間承受很高的壓應力、剪切應力和沖擊負荷。煤的硬度雖然不是很高，但是其中常夾雜煤矸石、巖石等硬的礦料，并且在采煤和鑿巖過程中，截齒還有升溫問題，導致齒頂材質(zhì)軟化，加速截齒的失效過程。通過對國內(nèi)外截齒失效形式的調(diào)研、樣品解剖分析及抗沖擊性能、耐磨性、焊縫抗剪切性能的試驗，截齒失效形式主要有以下幾個方面（見附圖）。

1.硬質(zhì)合金缺陷造成合金頭碎裂（崩刃）

截齒截割煤巖時在沖擊載荷的作用下，合金頭處于高壓應力狀態(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的高剪應力，處于拉應力狀態(tài)，當拉應力超過合金的強度極限時即發(fā)生碎裂，合金頭碎裂（崩刃）后截齒缺乏銳利的合金頭，使截割阻力劇增，直接影響生產(chǎn)效率的提高，且加劇了截齒的磨損。

2.釬焊缺陷導致掉合金頭

截齒失效形式示意

掉合金頭是截齒失效形式中的主要形式之一。截齒掉合金頭現(xiàn)象分為早期、中期和后期掉合金頭，其中早期掉合金頭所造成的危害最大，截齒在很短的工作時間里，釬焊在截齒體上的硬質(zhì)合金刀頭便從截齒體上掉下，致使截齒提早報廢。截齒的早期、中期掉合金頭的原因主要是焊縫質(zhì)量差、強度低，截齒加工尺寸控制不嚴，造成焊縫間隙過大或過小，致使焊料流動性差，合金頭被“擠死”或“缺焊”，為此，我國頒發(fā)的煤炭行業(yè)標準《MT/T246－2006煤礦用截齒》中對截齒的焊縫要求是焊縫剪切強度≥180MPa，焊縫內(nèi)焊料的充滿度≥80%。截齒掉合金頭另外原因是合金頭釬焊工藝不當和焊前處理不好。截齒的后期掉合金頭是因為截齒體前端的過度磨損使得硬質(zhì)合金刀頭過分突出，焊縫面積減小，從而導致焊縫強度不夠造成截齒掉合金頭。

3.齒體材料或熱處理缺陷導致截齒失效

（1）齒身折斷 由于截齒齒身強度不足，截齒截割堅硬巖石或包裹體夾雜物時，載荷突然加大，超過截齒許用強度時就易引起齒身折斷。

（2）齒身彎曲 當截齒承受很大的外力時，導致截齒的結(jié)構(gòu)尺寸、剛度、布置方式等方面發(fā)生變化，引起齒身彎曲。齒身彎曲后，截齒受力狀態(tài)改變，就不能很好地完成截割任務。

4.截齒選型不當導致過早失效

5.齒座或齒套配合不當導致截齒過早失效

在實際使用過程中，如果齒座（齒套）和截齒配合不當，截齒固定不可靠或固定裝置磨損等，就易造成截齒的丟失，截齒的丟失現(xiàn)象也是比較普遍存在的問題。

6.截齒的磨損

（1）磨粒磨損 截齒在工作過程中，磨粒（煤矸石等）與截齒表面間產(chǎn)生較大壓應力，帶有銳利棱角的磨粒能切削截齒表面，形成顯微切削。如果磨粒不夠尖銳或刺入截齒表面角度不合適，則在截齒表面擠出犁溝。隨著截齒工作時間的延長，磨粒反復對截齒表面推擠，產(chǎn)生嚴重的塑性變形，使得表面下層塑性發(fā)生相互作用，導致塑變區(qū)內(nèi)位錯密度增加，變形材料表面產(chǎn)生裂紋，裂紋擴張，截齒表面形成薄片狀磨屑，而且煤層中存在腐蝕性介質(zhì)與截齒表面發(fā)生化學反應，而造成表面材料腐蝕、性能下降，并使表層金屬與基體材料結(jié)合力降低，加快了截齒材料層的磨損。

（2）熱疲勞磨損 截齒在截割煤巖時，承受周期性的高沖擊載荷，為了分析對截齒表面的破壞，可將沖擊載荷分成法向力和切向力，法向力和切向力通過接觸點作用傳遞到截齒的次表面層，在這些力的作用下截齒表面較硬的微凸點將變形，反復擠壓導致附近軟表面產(chǎn)生塑性流動并在截齒亞表面層形成積累。同時，截齒截割煤巖時由于磨損熱使刀頭磨損表面產(chǎn)生600～800℃的高溫，而截齒截割煤巖是周期性的回轉(zhuǎn)運動，故升溫是交變的。當?shù)额^接觸煤巖時升溫，離開煤巖時降溫，使截齒齒頂產(chǎn)生高溫回火，其組織一般是回火索氏體和鐵素體，其硬度下降50%，加速了截齒的磨損。由于截齒表層溫度的不斷變化，材料表層進一步軟化，導致塑變區(qū)內(nèi)出現(xiàn)波浪式塑性流動和位錯密度增加，反復的彈塑變形，又使位錯集中，繼而表層出現(xiàn)橫向微裂紋。

大量的調(diào)研表明，礦用截齒的失效形式不盡相同，軟質(zhì)煤或夾矸少的煤礦，截齒失效以多次磨損為主，硬質(zhì)煤或夾矸多的煤礦多以合金頭崩碎和齒身折斷為主。

一般來說，被磨損材料的硬度與抗磨料磨損性能成正比，但在復雜的工況條件下，高硬度不一定對應高的耐磨性，尤其在受沖擊負荷時更是這樣。同時在截齒的磨損失效過程中，材料的硬度和磨料的硬度都不是一個準確值。因為材料中可能存在硬的粒子（如煤中的黃鐵礦、石英等），煤實際上是一種混合磨料，其中軟磨料對截齒表面反復擠壓，導致材料的疲勞磨損，而硬磨料則直接犁切截齒表面。在截齒的各種失效形式里有50%以上是由磨損造成的。

二、提高截齒性能的技術(shù)途徑

1.齒體材質(zhì)的選擇

目前國內(nèi)截齒體的材料多為合金結(jié)構(gòu)鋼35CrMnSiA，這種材料在淬火低溫回火或等溫淬火后，有較高的綜合力學性能，但該材料橫向性能比縱向性能差，有明顯的回火脆性等缺陷。為此，選擇42CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼作為截齒材料，該鋼屬于淬透性好、無回火脆性，調(diào)質(zhì)后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，與35CrMnSiA合金鋼相比，更適合截齒的受力特性，該鋼制作的齒體頭部的抗裂性能和沖擊韌度要比35CrMnSiA鋼種好。因此，42CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼比35CrMnSiA合金結(jié)構(gòu)鋼更適宜作截齒材料。

由于截齒在截割煤巖時承受高壓應力、剪切應力和沖擊載荷，因此，在保證截齒表面足夠的耐磨性時，要注意截齒材料的韌性，以提高截齒的綜合力學性能，延長截齒的使用壽命。

2.硬質(zhì)合金頭的選擇

合金頭在使用過程中出現(xiàn)的崩刃、折斷等主要是由于合金中存在的石墨雜質(zhì)，晶粒分布不均勻，部分合金中裂紋，合金在燒制后合金上下密度差大、空隙多、硬度低以及合金釬焊的殘余應力大等引起。為此，合金頭必須選擇優(yōu)質(zhì)原料，采用先進的成型燒結(jié)工藝（高純鎢粉、高溫還原、高溫碳化）等技術(shù)措施，使合金頭具有高韌性、高耐磨性和高抗沖擊性，在釬焊后及時消除釬焊應力。

合金頭形狀的選擇要根據(jù)合金頭的工況條件合理設計。煤質(zhì)較好，夾矸很少的工況要突出合金頭的高耐磨性，而工況惡劣時就要增加合金頭的抗沖擊性，提高焊縫抗剪切強度，防止合金頭碎齒掉頭現(xiàn)象。

3.釬焊及熱處理工藝設置

截齒的釬焊及熱處理工藝是保證截齒質(zhì)量和壽命的關(guān)鍵技術(shù)之一。國內(nèi)截齒的生產(chǎn)工藝一般是截齒體采用35CrMnSiA合金結(jié)構(gòu)鋼：鍛造→機加工成形→釬焊硬質(zhì)合金頭→鹽浴爐加熱→硝鹽等溫淬火→回火或是截齒體加工成形→鹽爐加熱→硝鹽等溫淬火→清洗→釬焊硬質(zhì)合金頭→回火。

前一種生產(chǎn)工藝釬焊硬質(zhì)合金頭后鹽爐加熱再硝鹽等溫淬火，截齒體的硬度得到了保證，但硬質(zhì)合金頭在釬焊和硝鹽等溫淬火這一過程中，經(jīng)過了兩次加熱，從而使硬質(zhì)合金頭脆化，使截齒在使用過程中因硬質(zhì)合金頭崩裂和硬質(zhì)合金頭與截齒體焊接的開裂而大大縮短截齒的使用壽命。后一種生產(chǎn)工藝，硝鹽等溫淬火后釬焊硬質(zhì)合金頭，雖然焊縫質(zhì)量和硬質(zhì)合金頭的質(zhì)量得到了保證，但截齒頭部的硬度卻下降了，導致截齒體頭部耐磨性大大降低，使得截齒在使用過程中硬質(zhì)合金頭過早脫落，同樣也縮短截齒的使用壽命。同時，鹽浴爐加熱、淬火消耗能源，對環(huán)境的污染大。為此，采用水溶性淬火介質(zhì)，針對不同的工況條件采用不同的釬焊、淬火工藝。

（1）按照截齒磨損類型，如果用于煤質(zhì)軟、夾矸少的工況，采取截齒體機加工→高頻爐加熱→釬焊→淬火液淬火→低溫回火工藝，可以達到齒體頭部硬度在50HRC，柄部在40HRC，沖擊韌度高于49J/cm2，這樣既提高了齒體頭部和合金頭的耐磨性，合金頭也避免了反復加熱，更重要的是截齒體前端的耐磨性提高，解決了截齒后期掉合金頭問題。

（2）如果是用于工況惡劣的煤巖，則采用截齒體機加工→中頻爐加熱→釬焊→淬火液淬火→高溫回火工藝，以得到截齒體整體硬度在42HRC，而焊縫抗剪切強度、齒體的韌性要高于上一種工藝，提高了切割硬煤巖的能力。

（3）對于中硬煤巖，則采用機加工→熱處理→高頻加熱→釬焊→回火→齒體頭部熔覆耐磨材料，進一步增加了齒體頭部的耐磨性。

4.合理選擇截齒的幾何參數(shù)和排列方式

截齒的幾何參數(shù)對截齒的截割性能和壽命影響很大，幾何參數(shù)選擇直接影響截齒的截割阻力、軸向力大小。截齒排列方式對工作機構(gòu)的截割狀態(tài)有重要影響，對不同物理性質(zhì)的煤巖，應選擇不同的排列方式。若設計不當，則截割的可靠性將顯著降低，齒身壽命與煤層中堅硬成分的含量和作用載荷有很大關(guān)系，而載荷大小取決于截割參數(shù)，在高載荷的切削條件下，齒身壽命急劇下降，比其磨損壽命還要低。

5.截齒的制造質(zhì)量對截齒的失效有重要影響

從制造工藝上，合金頭與齒體焊接質(zhì)量等方面都要注意，保證截齒的制造質(zhì)量，硬質(zhì)合金鑲嵌在齒尖處，它是直接參與截割的，對于不同的煤巖其截割助力和牽引力不同，焊縫的受力也不一樣，因此，截齒制造要保證焊接質(zhì)量。

6.截齒的安裝質(zhì)量

從截齒與齒座（齒套）安裝配合，齒座（齒套）的熱處理工藝、齒柄與齒座（齒套）間配合間隙以及硬度都要達到?jīng)_擊載荷的要求，這樣截齒和齒座才能承受較大的力，避免截齒失效。

合理選擇截齒的尺寸公差精度，使固定件物理力學性能滿足要求，截齒才能固定，防止丟失。

7.正確使用截齒

每一種截齒的設計都要滿足一定的截割參數(shù)和特定煤巖要求，生產(chǎn)工藝的編制要滿足截齒的使用工況條件。如果把適用于較軟煤巖的截齒用于截割較硬煤巖，必然加劇截齒的破壞，超出設計截割參數(shù)使用截齒，也必然引起截齒過早失效。如果工作時牽引速度過大，使截割厚度超過截齒伸出長度，就會導致齒座參與截割過程，整個截齒連同齒座都處于截割狀態(tài)，將加劇全齒磨損，而且因載荷過大易引起齒身溫度高，降低齒身強度，造成齒身彎曲、折斷現(xiàn)象。另外，在工作過程中隨時注意滾筒上截齒的狀態(tài)，以保證截齒的正常使用。通過截齒的失效分析，進行相應對策探討，是開展截齒可靠性研究的基礎，只要解決截齒在設計、制造、選擇和使用等方面存在的問題，就能夠明顯地提高截齒的可靠性，大大降低截齒的損耗，進一步提高煤炭生產(chǎn)的效益，很好地適應高產(chǎn)高效礦井建設和發(fā)展要求。

三、結(jié)語

通過上述技術(shù)措施制造的礦用截齒，在實際使用中取得了良好的效果，截齒的消耗低于原所用截齒的指標，其抗磨損性能和抗沖擊性能有了很大的提高。表明國產(chǎn)截齒的質(zhì)量基本能達到進口截齒的質(zhì)量水平，甚至可以完全替代進口截齒。