劉 杰

(大同煤礦集團(tuán) 云岡礦, 山西 大同 037003)

煤巖層的地質(zhì)條件、礦物雜質(zhì)、采煤機(jī)截齒的結(jié)構(gòu)以及截削條件等多方面因素均影響著采煤機(jī)截齒的磨損程度。結(jié)合早期生產(chǎn)資料可知：生產(chǎn)過程中，采煤機(jī)截齒的失效一般情況下75％是在截割煤層時(shí)造成的，這些失效的截齒中，齒體因磨損而失效的占到50％。現(xiàn)階段，由于我國自行生產(chǎn)的截齒壽命僅為國外優(yōu)質(zhì)截齒的1/3，因此，多數(shù)煤礦對(duì)國外優(yōu)質(zhì)截齒的進(jìn)口量較大。

通過分析研究可知，截齒損壞的主要原因包括以下幾個(gè)方面：耐磨性能差、沖擊性能低以及掉合金頭等。尤其是截齒齒體作為硬質(zhì)合金的主要支撐體，在其磨損失效較為嚴(yán)重時(shí)，合金頭的作用也隨之降低。本文所介紹的試驗(yàn)主要是采用不同的淬火與回火方案對(duì)截齒進(jìn)行熱處理分析研究，通過對(duì)比試驗(yàn)截齒的顯微組織、表面磨損程度、硬度以及磨損性能等方面的特點(diǎn)，得出熱處理工藝的主要影響因素。這些研究結(jié)果對(duì)延長截齒的壽命、減少截齒的消耗量以及提高生產(chǎn)效率等具有理論指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法介紹

1) 實(shí)驗(yàn)材料。

實(shí)驗(yàn)選用的鎬形截齒實(shí)物圖見圖1，該截齒的齒體材料為40Cr的合金鋼，該材料的化學(xué)成分見表1。除齒體外，截齒的齒頭選用的材料為YG15硬質(zhì)合金，該材料的化學(xué)成分主要由85％的WC與15％的Co組成。

圖1 鎬形截齒實(shí)物圖

表1 40Cr材料的化學(xué)成分表

C/％Mn/％Si/％Cr/％0.37～0.450.5～0.80.2～0.40.80～0.10

2) 試驗(yàn)方法。

試驗(yàn)采用淬火加回火的方式對(duì)齒體材料40Cr合金鋼進(jìn)行熱處理，由表1中的參數(shù)以及相應(yīng)計(jì)算公式確定熱處理的加熱溫度為840℃，保溫時(shí)間為35 min，冷卻方式采用油冷的方法。經(jīng)分析研究可知，亞共析鋼的低溫回火溫度為150℃～300℃，考慮到40Cr材料中含有硅、錳等元素，所以確定該材料第一類低溫回火的溫度為240℃，保溫時(shí)間持續(xù)60 min，冷卻方式為空冷。由于40Cr材料的第二類回火溫度為450℃～650℃，因此，中溫回火溫度確定為440℃，保溫持續(xù)時(shí)間60 min。

試驗(yàn)中，熱處理前、低溫回火、中溫回火試樣分別用1#、2#與3#進(jìn)行標(biāo)記。熱處理后的試樣粗磨后再利用砂紙進(jìn)行細(xì)磨，最后研磨為鏡面狀。利用硝酸酒精腐蝕磨好后的試樣，利用電子顯微鏡對(duì)該試樣進(jìn)行拍照，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。利用磨損試驗(yàn)機(jī)測量該試驗(yàn)的耐磨性，并通過電子顯微鏡觀察磨損痕跡，利用研究結(jié)果對(duì)磨損機(jī)理進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

1) 顯微結(jié)構(gòu)分析。

經(jīng)分析可知，40Cr材料在熱處理以前為鐵素體與珠光體相結(jié)合，由于滲碳體是硬脆相，因此，該材料的齒體韌性較低，在截割較硬煤巖體時(shí)易造成截齒齒體的斷裂。除此之外，耐磨性較差也會(huì)引起截齒齒頭的合金裸露脫落。結(jié)合對(duì)40Cr材料進(jìn)行熱處理方案后的顯微組織結(jié)構(gòu)可知：a) 為了降低鋼的淬火應(yīng)力與脆性，對(duì)其采取淬火后低溫回火，回火后的材料具有較高的硬度、強(qiáng)度及耐磨性能。b) 對(duì)其采用淬火后中溫回火的方法后，電子顯微組織為回火屈氏體，中溫回火過程中，馬氏體經(jīng)過處理后解析出顆粒狀的第二相，以彌散方式分布，最終回火屈氏體組織。因?yàn)榻鹣嘟M織很細(xì)小，晶粒細(xì)化后使得該顯微組織更為均勻，同時(shí)晶界的范圍也增加，使得鋼材料的強(qiáng)度與硬度升高，使其具有了良好的綜合性能。其母相與第二相保持共格關(guān)系，該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生出的回火屈氏體具有一定的生長方向。

2) 齒體硬度的測試。

由1#、2#與3#試樣熱處理后的硬度分析可知：截齒齒體材料在熱處理后其硬度會(huì)有較大地提高。以40Cr材料為例，經(jīng)過淬火低溫回火后比中溫回火后的硬度晚顯提高。結(jié)合以上分析可知，截齒齒體材料經(jīng)過熱處理后，不僅其硬度能較大提高，而且耐磨性也明顯提高。

3) 摩擦磨損測試。

在對(duì)材料的磨損試驗(yàn)中，利用環(huán)塊式的滑動(dòng)摩擦方式，對(duì)測試試樣進(jìn)行干滑動(dòng)磨損。實(shí)驗(yàn)中選用的測試試樣形狀為塊體，而對(duì)磨材料的形狀為環(huán)形。利用軸承鋼GCr15作為對(duì)磨材料，磨損時(shí)間為90 min，對(duì)磨環(huán)的轉(zhuǎn)速確定為200 r/min。本次實(shí)驗(yàn)利用質(zhì)量磨損測量法，在同樣的條件下，通過測定試樣的磨損量大小來分析其耐磨性能。需要注意的是試樣在進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)之前，須利用砂紙進(jìn)行細(xì)磨，使得預(yù)磨面表面的粗糙度一致，同時(shí)保證試樣無油污并對(duì)其進(jìn)行烘干(該工序需使用丙酮對(duì)實(shí)驗(yàn)前的試樣進(jìn)行超聲波清洗與烘干，清洗與烘干時(shí)間為20 min)，然后對(duì)其進(jìn)行稱重，保證所測試樣品磨損量的準(zhǔn)確型。

通過對(duì)1#、2#與3#試樣的磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知：1#的磨損量最大，經(jīng)熱處理試驗(yàn)后材料的耐磨性能顯著提高，另一方面2#試樣經(jīng)淬火并低溫回火后，其耐磨性能相對(duì)較好。

摩擦系數(shù)是指兩試樣表面的摩擦力與作用于其中一個(gè)表面上的垂直應(yīng)力的比值。摩擦系數(shù)不僅與表面粗糙度有關(guān)，還與接觸面積的大小有關(guān)。因此，該系數(shù)反映的是工件表面的形貌、接觸形式以及滑動(dòng)速度間的作用關(guān)系。本次實(shí)驗(yàn)中，1#、2#與3#試樣的磨擦系數(shù)分別為0.53、0.47與0.43，經(jīng)過熱處理后其摩擦系數(shù)均降低，且摩擦系數(shù)越小的試樣其耐磨性能越好。

4) 摩擦痕跡分析。

通過對(duì)1#、2#與3#試樣摩擦痕跡形狀的掃描電鏡結(jié)果分析可知：1#試樣有大塊剝落，磨損程度嚴(yán)重，其磨損的碎屑較多；2#試樣僅有稍許滑痕，磨損的碎屑較少，說明其耐磨性能較好；3#試樣僅有一些痕跡，相較于1#試樣其耐磨性能較好。從磨損痕跡顯微結(jié)果可知：截齒齒體材料的磨損為黏著磨損。

3 結(jié) 論

1) 2#試樣經(jīng)過熱處理分析后，在淬火低溫回火條件下，其組織更為理想且晶粒細(xì)小，分布較均勻，晶界的面積也有一定的增加，該方法能夠起到較好的細(xì)化作用。

2) 40Cr材料經(jīng)過熱處理以后，其摩擦系數(shù)減小，但其耐磨性能卻明顯提高，齒體材料的硬度在該材料經(jīng)過淬火低溫回火后明顯高于淬火中溫回火后，且其耐磨性能也有所提高。

3) 采煤機(jī)截齒齒體材料經(jīng)過熱處理技術(shù)以后，其綜合性能有了極大提高，不僅延長了截齒的壽命，還降低了生產(chǎn)成本。

參 考 文 獻(xiàn)

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