高抗沖擊性金剛石復(fù)合煤截齒的研究

蔣云振, 陳桂湘

(1.桂林特邦新材料有限公司,廣西 桂林 541004;2.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西超硬材料重點實驗室,國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西特種礦物材料技術(shù)創(chuàng)新中心,廣西 桂林 541004)

1 概述

隨著智慧礦山概念的提出[1-2],全面建成安全、綠色、高效、智能的礦山已然成為全行業(yè)高度關(guān)注的問題,同時也推動著煤礦開采設(shè)備制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級,并對其提出越發(fā)嚴(yán)苛的要求。采煤機作為礦井最常見也是最主要的采掘設(shè)備之一,在煤炭開采工作中起到關(guān)鍵作用,而截齒又作為采煤機成本價值最高的消耗零部件,是充分發(fā)揮采煤機真正效用的重要一環(huán)。

目前市場上仍以價格低廉的硬質(zhì)合金煤截齒為主[3],其在面對較硬地層時,存在耐磨性差、不耐腐蝕和壽命短等問題。截齒在煤礦掘進工作時,需要承受煤層過高的剪應(yīng)力、沖擊載荷及周期壓應(yīng)力[4]等,傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金截齒在多種力的作用下易發(fā)生失效。其具體的失效形式有截齒磨損[5]、截齒表面腐蝕、刀頭碎裂[6]、截齒丟失等。統(tǒng)計表明有50%的截齒失效是由磨損造成的[3],磨損是截齒失效的主要原因。上述失效的發(fā)生,不僅會直接影響施工進度,降低工作效率,提高成本,還可能會引發(fā)其他的危害[7]。因此,亟需一種耐磨、高效、綠色、綜合性能優(yōu)異的高端截齒與先進設(shè)備進行匹配,從而真正意義上實現(xiàn)礦山智能化和開采可持續(xù)化。

與傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金截齒相比,金剛石復(fù)合煤截齒的使用壽命是硬質(zhì)合金煤截齒的10～20倍[8],其不僅解決了當(dāng)前開采領(lǐng)域中的難題,還可保障工程周期,降低施工成本,適應(yīng)了我國低端工具向高端工具轉(zhuǎn)變的趨勢,具有廣闊的應(yīng)用前景。

為了研制出具有高耐磨性、高效率、長壽命的金剛石復(fù)合截齒,近年來,國內(nèi)外研究人員做了大量研究。中國礦業(yè)大學(xué)韓永傳、徐宏武對脈沖復(fù)合鍍金剛石截齒的制造工藝和性能進行了初步研究,并研制出了具有優(yōu)異耐磨性的電鍍型金剛石截齒[9];中南大學(xué)張紹和等研制出一種耐磨性、工作效率和使用壽命均有大幅度提高的孕鑲型金剛石復(fù)合截齒[10];澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)院探礦與采礦研究所和湖南飛碟新材料有限責(zé)任公司合作研制了一種熱穩(wěn)定性金剛石聚晶(TSDC)復(fù)合截齒,其能夠在高溫下依舊保持聚晶金剛石原有的物理機械性能[11];美國的Danny等則是將硬質(zhì)合金柱齒上的卵形部分截割去一個錐體,直接把無支撐物的金剛石聚晶層焊接到硬質(zhì)合金基底截割面上,制備出了焊接型金剛石復(fù)合截齒,這種截齒的特點是在聚晶層脫落后可重新焊接,以實現(xiàn)齒體的重復(fù)利用[12]。這些研究在不同程度上提高了金剛石復(fù)合截齒的耐磨性、熱穩(wěn)定性,甚至簡化了其制作工藝,降低制造成本,對金剛石截齒的推廣與應(yīng)用有著非常重大的作用。金剛石復(fù)合煤截齒雖然具有超高的硬度和優(yōu)異的耐磨性,但也存在金剛石聚晶層在工作沖擊狀態(tài)下易發(fā)生大面積破碎或整體脫落的情況。這主要是因為金剛石聚晶層與硬質(zhì)合金基體的熱膨脹系數(shù)和彈性模量存在較大差異。針對這個問題,美國的Tracy Hall博士率先提出了過渡層結(jié)構(gòu)技術(shù),其將截齒的工作表面由100%的金剛石聚晶層逐漸過渡到100%的硬質(zhì)合金基體,使彈性梯度與熱膨脹梯度逐漸均勻變化[13],本文也是在借鑒此技術(shù)方法的基礎(chǔ)上開展的進一步研究與優(yōu)化。

此外,金剛石復(fù)合煤截齒目前在國內(nèi)市場上的應(yīng)用還未完全成熟,對金剛石復(fù)合煤截齒的研究和推廣,能有效填補國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)域的空白,對于我國煤截齒的技術(shù)提升,產(chǎn)品由進口轉(zhuǎn)外銷有著重大的推進作用。

2 試驗方法和過程

2.1 金剛石復(fù)合煤截齒的齒形結(jié)構(gòu)和粉料配方設(shè)計

本文所研究的金剛石復(fù)合煤截齒本體由硬質(zhì)合金基體和覆蓋于硬質(zhì)合金基體之上的金剛石聚晶層組成,截齒的齒頭部輪廓為圓滑球面,齒腹部為凸出的圓弧面,整體外觀形似子彈(圖1a)。齒頭部的球面半徑R1要小于齒腹部的圓弧半徑R2,且內(nèi)切于該圓弧,兩部分圓弧形成平滑過渡。其中齒頭部球面半徑R1取值范圍在1～10 mm之間,齒腹部圓弧半徑的取值范圍在10～50 mm之間。

圖1 金剛石煤截齒外觀示意圖(a)與 金剛石煤截齒剖視圖(b)

金剛石聚晶層設(shè)計為2層結(jié)構(gòu),所使用的粉料包括有不同粒度的金剛石微粉、WC粉、Co粉和W粉。其中直接與合金基體接觸的為過渡層,過渡層之上為工作層(圖1b)。將聚晶過渡層與工作層之間的結(jié)合面采取多段圓弧輪廓的設(shè)計,中間圓弧向上凸起,周邊圓弧則向齒身軸線處內(nèi)凹,且各相鄰的兩圓弧相外切,形成平滑過渡。聚晶工作層的金剛石微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%～100%,微粉粒徑為3～10 μm;聚晶過渡層的金剛石微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～60%,微粉粒徑為10～60 μm。

2.2 金剛石復(fù)合煤截齒合成流程與工藝探討

將兩層不同配比的粉料分別加入無水乙醇混合均勻,并進行干燥、凈化、真空處理。先將處理后的金剛石聚晶工作層粉料按所設(shè)計的質(zhì)量稱重,裝入由鉬、鋯、鈮、鈦等材質(zhì)特制成的金屬模具中,采用特制壓頭壓制出工作層造型;再將處理好的金剛石聚晶過渡層粉料按照所設(shè)計的質(zhì)量稱重,裝入已壓制有工作層粉料的模具中,在工作層粉料基礎(chǔ)上再采用特制壓頭壓制出過渡層造型;最后將合金基體裝入模具,進行冷壓(壓力5～10 MPa),使其與粉料緊密貼合。

金剛石復(fù)合煤截齒采用國產(chǎn)的六面頂壓機進行合成,合成壓力為5～6 GPa,合成溫度為1 450 ℃～1 650 ℃,合成時間為10～25 min,并且可根據(jù)不同煤截齒的直徑和高度,適當(dāng)調(diào)節(jié)合成工藝。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)檢測

利用中走絲線切割機對金剛石復(fù)合煤截齒進行切割,將切割面進行打磨后,通過S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對金剛石復(fù)合煤截齒工作層-過渡層區(qū)域、過渡層-合金基體區(qū)域顯微結(jié)構(gòu)、形貌以及元素分布進行表征。

2.4 抗沖擊性能檢測

煤截齒作為采煤機的關(guān)鍵組成部件,且結(jié)合煤截齒工作方式和環(huán)境的特點,導(dǎo)致工作過程中煤截齒齒頭的受力情況極為復(fù)雜[14],尤其是截割煤炭產(chǎn)生的巨大沖擊力,會使得金剛石復(fù)合煤截齒易發(fā)生聚晶層整體脫落的情況,因此本文主要檢測金剛石復(fù)合煤截齒的抗沖擊性能。具體檢測方法:將金剛石復(fù)合煤截齒固定于夾具之上,采用自由落體式重錘試驗機對進行反復(fù)沖擊(圖2),統(tǒng)計沖擊次數(shù),并觀察煤截齒聚晶層脫落情況,其中重錘質(zhì)量為10 kg,重錘硬度為HRC45～50,落錘高度為2 m。

圖2 自由落體式重錘試驗機

值得說明的是,對于煤礦用截齒類產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)要求,目前還尚無統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。2006年以前,所遵循的標(biāo)準(zhǔn)均為《煤礦用截齒(MT 246—1996)》。直至2006年8月份,煤炭科學(xué)研究總院上海分院起草發(fā)布了《MT/T 246—2006采掘機械用截齒》,該標(biāo)準(zhǔn)中要求截齒的齒體沖擊韌性αk≥49 J/cm2。而后發(fā)現(xiàn),由于沖擊功僅為試樣缺口附近參加變形的體積所吸收,而此體積又無法測定,且在同一斷面上每一部分的變形也不一致,因此用單位截面積上的沖擊功αk來判斷韌性的方法在國內(nèi)外也已逐漸被淘汰。

3 試驗結(jié)果分析和討論

本文利用掃描電鏡對金剛石復(fù)合煤截齒進行微觀形貌觀察(圖3),黑色部分為金剛石顆粒,灰白色部分為粘結(jié)劑。工作層中金剛石含量高,顆粒的粒徑小,絕大部分金剛石經(jīng)高溫高壓燒結(jié)后連接成一片,形成金剛石-金剛石的結(jié)合方式;而過渡層中金剛石含量低,顆粒的粒徑較大,則是以顆粒形式均勻分布于整個過渡層區(qū)域。

圖3 金剛石復(fù)合煤截齒SEM圖

圖4、圖5顯示了金剛石復(fù)合煤截齒不同區(qū)域的主要化學(xué)元素分布情況。工作層和過渡層為C元素富集區(qū),基體區(qū)域C元素含量相對較少且分布均勻;W元素和Co元素的濃度則是按照工作層-過渡層-基體的分布順序逐漸升高。

圖5 過渡層-合金基體區(qū)域EDS能譜圖

采用自由落體式重錘試驗機對本文所研制的金剛石復(fù)合煤截齒進行反復(fù)沖擊,在單次沖擊功為200 J時,累計沖擊2 000次(累計沖擊功達到400 000 J),未發(fā)生齒體破壞和金剛石聚晶層脫落現(xiàn)象(圖6)。

圖6 2 000次沖擊試驗后的金剛石復(fù)合煤截齒

由于金剛石聚晶層與硬質(zhì)合金基體(主要成分為WC和Co)的熱膨脹系數(shù)存在較大差異,其中Co的熱膨脹系數(shù)為14.6×10-6/K,而金剛石為(1.2～4.5)×10-6/K,兩者相差了一個數(shù)量級。金剛石復(fù)合煤截齒在制造或使用過程中往往需要經(jīng)受很高的溫度,而硬質(zhì)合金又具有比金剛石高得多的熱膨脹系數(shù),在冷卻時,硬質(zhì)合金比金剛石聚晶層的收縮要大得多,于是就在結(jié)合面處產(chǎn)生了應(yīng)力,導(dǎo)致兩者結(jié)合強度大大降低,嚴(yán)重時甚至?xí)苯赢a(chǎn)生分層脫落。因此就需在聚晶層與合金基體之間設(shè)計出合理的過渡層配方,盡可能的降低殘余應(yīng)力對兩者之間的結(jié)合強度帶來的影響,從而避免金剛石復(fù)合煤截齒在工作過程中發(fā)生金剛石聚晶層脫落的情況。在聚晶過渡層中適當(dāng)減少金剛石微粉的含量,同時增加WC和Co粉的含量,這樣可以使得聚晶層到合金基體之間的熱膨脹系數(shù)呈現(xiàn)階梯式變化,從而有效減少結(jié)合面處的內(nèi)應(yīng)力,提高結(jié)合強度。

將過渡層中的金剛石微粉粒徑增大,則是為了加快硬質(zhì)合金基體中的Co熔滲掃越到粉料層的速度,而一定程度上的Co熔滲掃越作用,可以有效增強金剛石聚晶層的結(jié)合強度[15]。有研究表明[16],在PDC材料燒結(jié)過程中,硬質(zhì)合金基體中的Co在金剛石層中的熔滲掃越作用受到金剛石微粉原料粒徑的影響:金剛石微粉原料越細,熔滲掃越阻力越大,燒結(jié)中Co熔滲作用時間越長;金剛石微粉原料越粗,則熔滲掃越阻力越小,燒結(jié)中Co熔滲作用時間越短。

齒形結(jié)構(gòu)決定了截齒工作時與截割對象接觸的受力情況[17],必須保證截齒在較小的受力狀態(tài)下得以更好的工作,從而提高復(fù)合煤截齒的壽命。硬質(zhì)合金基體的形狀和金剛石聚晶層與硬質(zhì)合金基體結(jié)合界面曲線形狀在很大程度上影響了金剛石聚晶層與合金基體的結(jié)合強度。將聚晶過渡層與工作層之間的結(jié)合面采取多段圓弧輪廓的設(shè)計,中間圓弧向上凸起,周邊圓弧則向齒身軸線處內(nèi)凹,且各相鄰的兩圓弧相外切,形成平滑過渡。這樣設(shè)計不僅能夠增大兩層聚晶層的接觸面積提高結(jié)合強度,還可以給外層的聚晶工作層提供一個沿中軸線向上的承載力,使其在受到?jīng)_擊時不容易發(fā)生脫落。

4 結(jié)論

本文所研制的金剛石復(fù)合煤截齒,通過加入過渡聚晶層設(shè)計并優(yōu)化過渡層粉料配方以降低內(nèi)應(yīng)力;增加硬質(zhì)合金界面處的金剛石粒徑以加快Co熔滲速度;將各層之間的結(jié)合面設(shè)計成多段圓弧曲線以增加結(jié)合面積,有效解決煤截齒金剛石聚晶層在工作沖擊狀態(tài)下的易破碎脫落問題,使之沖擊性能達到:在單次沖擊功為200 J時,累計可承受超過2 000次的沖擊次數(shù),即累計沖擊功達到400 000 J而不發(fā)生齒體破壞和金剛石聚晶層脫落現(xiàn)象。