23MnNiMoCr54材料在采煤機(jī)螺旋滾筒齒座上的應(yīng)用

袁博，鄭洋

(西安煤礦機(jī)械有限公司， 陜西 西安 710032)

0 引言

采煤機(jī)螺旋滾筒在井下綜采工作面截割過(guò)程中,不僅承受很大的截割阻力和沖擊載荷，而且需具備抗磨損性能。齒座作為采煤機(jī)螺旋滾筒的主要截割部件，往往失效后在井下很難維修，且齒座產(chǎn)品質(zhì)量的好壞直接影響采煤機(jī)截割效率，影響到煤礦正常的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)。因此,除了對(duì)滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化外，材料選擇也成為高可靠采煤機(jī)螺旋滾筒的技術(shù)要點(diǎn)和難點(diǎn)。對(duì)于23MnNiMoCr54高強(qiáng)度合金鋼，其能否滿(mǎn)足齒座材料強(qiáng)度的要求，以及其如何能得到滿(mǎn)足使用要求的焊縫，是本文研究的重點(diǎn)。

1 材料性能分析

采煤機(jī)螺旋滾筒是一種應(yīng)用于井下采煤機(jī)的部件設(shè)備。由于其工作環(huán)境惡劣，齒座材料的選擇直接關(guān)系到滾筒的使用壽命，故要求齒座材料必須具備高強(qiáng)度、高韌性、高耐磨性和一定的可焊性。23MnNiMoCr54鋼含有Mn、Ni、Mo、Cr等合金元素，可提高材料的強(qiáng)度、塑性和韌性，其化學(xué)成分與機(jī)械性能如表1、表2所示。

表1 23MnNiMoCr54材料的化學(xué)成分

表2 23MnNiMoCr54材料的力學(xué)性能

2 齒座制造工藝確定

2.1 主要工藝流程

齒座的主要工藝流程為：鍛造→正火→毛坯粗加工→淬火→回火→工件精加工

1) 正火溫度的確定。為了能得到更細(xì)的組織，從而提高材料的機(jī)械性能,消除材料組織中的網(wǎng)狀碳化物,并為后續(xù)的熱處理工序做準(zhǔn)備，故選擇在鍛造后先對(duì)齒座進(jìn)行正火處理。經(jīng)試驗(yàn)，23MnNiMoCr54鋼鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度為900 ℃，故將正火溫度定為900 ℃±10 ℃。

2) 淬火溫度的確定。淬火的目的是大幅提高鋼的剛性、硬度、疲勞強(qiáng)度、韌性及耐磨性等，從而滿(mǎn)足螺旋滾筒的使用要求。經(jīng)試驗(yàn)，23MnNiMoCr54鋼馬氏體化的溫度確定為880 ℃，淬火方式為油淬。

3) 回火溫度的確定。為提高齒座延性與韌性，同時(shí)保持齒座較高的硬度和耐磨性，降低淬火殘留

應(yīng)力和脆性，齒座回火采用低溫回火，回火后得到回火馬氏體組織?？紤]避開(kāi)材料回火脆性溫度區(qū)，最終確定回火溫度為200 ℃。

圖1 齒座熱處理工藝流程圖

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

基于上述工藝過(guò)程試驗(yàn)，得到23MnNiMoCr54材料的試驗(yàn)結(jié)果,如表3所示。

表3 23MnNiMoCr54材料的試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)對(duì)23MnNiMoCr54鋼試驗(yàn)結(jié)果的分析，23MnNiMoCr54材料在鍛造后經(jīng)過(guò)900 ℃的正火、880 ℃的淬火與200 ℃低溫回火的工藝后，抗拉強(qiáng)度≥1 200 MPa，屈服強(qiáng)度≥900 MPa，沖擊韌性≥120 J，且材料經(jīng)淬火與回火后硬度可以達(dá)到42～45HRC，具有一定的耐磨性能。23MnNiMoCr54材料的機(jī)械性能滿(mǎn)足采煤機(jī)螺旋滾筒齒座的強(qiáng)度要求。

3 材料焊接性能的確定

3.1 焊接性能分析

23MnNiMoCr54材料的碳當(dāng)量W(C)eq≈0.81%，屬于焊接性極差的鋼種，故在制定焊接工藝時(shí)，必須進(jìn)行焊前預(yù)熱，焊接時(shí)采用控制層間溫度以及焊后緩冷等措施來(lái)確保焊接接頭的性能。

3.2 焊接工藝的確定

3.2.1 焊接方法

在生產(chǎn)中使用高質(zhì)量的氬氣和二氧化碳的混合氣體(Ar80%+CO220%)保護(hù)焊，從而進(jìn)行焊接，以達(dá)到設(shè)計(jì)所需要求。Ar80%+CO220%混合氣保護(hù)焊主要的優(yōu)點(diǎn)是：

1) 可獲得噴射過(guò)渡模式，提高生產(chǎn)效率，降低成本。

2) 減少氧化，焊縫表面光滑，元素?fù)p失少，改善機(jī)械性能。

3) 降低飛濺率，減少焊絲浪費(fèi)與清理焊縫時(shí)間。

4) 降低了煙塵并減少了一氧化碳等氣體的排放。

由于對(duì)齒座焊接強(qiáng)度要求很高，焊接時(shí)采用多層多道焊(至少4層)。多層多道焊的焊縫接頭顯微組織較細(xì)，焊縫熱影響區(qū)較窄。焊接時(shí)前一條焊道對(duì)后一條焊道起預(yù)熱作用，而后一條焊道又對(duì)前一條焊道起熱處理作用。因此,多層多道焊使焊縫的延性和韌性都有所提高。

3.2.2 焊接材料

在進(jìn)行 23MnNiMoCr54材料與Q345材料的焊接時(shí)，考慮到 23MnNiMoCr54材料的焊接性很差，在選擇焊接材料時(shí)，焊絲中必須加入較高的硅、錳等脫氧元素，另外考慮到材料的冷裂紋敏感性，而選用低氫型焊接材料。

綜上所述，焊接材料最后選用 MK.G60 φ1.2 mm實(shí)芯焊絲。

3.2.3 預(yù)熱溫度

由于23MnNiMoCr54材料的焊接性很差，在焊接前，須采用焊前預(yù)熱來(lái)防止裂紋的產(chǎn)生。根據(jù)國(guó)外焊接預(yù)熱溫度經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，最終確定齒座焊前預(yù)熱溫度控制在200 ℃左右。

3.2.4 焊接參數(shù)確定

在焊接齒座時(shí),焊接方法選擇為多層多道焊，通常焊接打底焊道時(shí)，使用較小的焊接流來(lái)保證背面焊道的質(zhì)量；焊接填充焊道時(shí)，使用較大的電流，以提高效率，保證熔合好；焊接蓋面焊道時(shí)，為防止咬邊，保證焊道成形美觀(guān)，使用的電流應(yīng)稍小些。

焊接時(shí)確定的焊接參數(shù)為：電流<260 A，電壓22～28 V，氣流量15 L/min。在多層多道焊時(shí)每道焊縫的焊接參數(shù)如表4所示。采用短路過(guò)度焊接，使熔滴均勻細(xì)小，減少合金元素的燒損，從而達(dá)到焊縫質(zhì)量要求。多層焊時(shí)，應(yīng)及時(shí)去除焊件表面及層間的氧化層，焊縫層間溫度應(yīng)控制在230～250 ℃。施焊過(guò)程中應(yīng)保證起弧和收弧處焊接質(zhì)量，收弧時(shí)應(yīng)將弧坑填滿(mǎn)。多層焊的層間接頭應(yīng)錯(cuò)開(kāi)。

表4 焊接工藝參數(shù)

3.2.5 焊后處理

為使氫能夠從熔敷金屬中擴(kuò)散并溢出，減少焊縫擴(kuò)散氫的含量，在焊接后進(jìn)行焊后保溫緩冷，保溫溫度250～300 ℃，保溫時(shí)間為4 h。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 通過(guò)23MnNiMoCr54材料的分析與試驗(yàn)證明，23MnNiMoCr54材料經(jīng)過(guò)鍛造并進(jìn)行正火、淬火與低溫回火的工藝后，其性能滿(mǎn)足了采煤機(jī)螺旋滾筒齒座的機(jī)械性能要求。

2) 在23MnNiMoCr54材料與Q345異種材料的焊接工藝研究中，根據(jù)其含碳量及碳當(dāng)量進(jìn)行焊前預(yù)熱溫度的確定，焊接時(shí)層間溫度的控制，焊后保溫緩冷的溫度與時(shí)間控制，是避免裂紋產(chǎn)生與確保焊縫強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。

3) 在23MnNiMoCr54與Q345材料的焊接中，選擇低氫型焊縫熔敷金屬塑性好的焊接材料，能夠確保焊縫達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

目前，該材料齒座市場(chǎng)應(yīng)用兩年多時(shí)間，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，用戶(hù)反映良好，有力地提高了公司產(chǎn)品品質(zhì)和市場(chǎng)的份額。