王昆宏

(華陽新材料集團煤機裝備研究院，山西省陽泉市，045000)

0 引言

采煤機、刮板輸送機、液壓支架是煤礦綜采成套設(shè)備的核心，尤其是成套采煤機設(shè)備，直接關(guān)系著井下采煤作業(yè)的效率和礦井產(chǎn)能[1-3]。在國內(nèi)，大多數(shù)采煤機配備的是螺旋滾筒，在滾筒采煤作業(yè)過程中，直接對煤壁進行截割作業(yè)的關(guān)鍵核心零件——截齒的性能直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)的能力和安全。

煤礦井下的復(fù)雜工況使截齒在采煤作業(yè)過程中受到各方面的切割阻力，而截齒本身質(zhì)量和性能的優(yōu)劣則對采煤機的生產(chǎn)效率和采煤生產(chǎn)成本至關(guān)重要，在螺旋滾筒截齒的選擇上，截齒的材質(zhì)、沖擊韌性、表面硬度、耐磨性能、抗彎曲強度上是截齒性能的重要指標(biāo)，目前煤機科研工作者針對截齒各項指標(biāo)均有所研究，目的在于提高截齒的綜合性能，延長截齒的使用壽命，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益。

本文就采煤機螺旋滾筒截齒的失效形式進行研究和分析，運用先進表面技術(shù)來提高截齒的各項性能指標(biāo)，從而提高采煤機的整體采掘效率，提高煤企生產(chǎn)單位的采煤效率和經(jīng)濟效益。

1 截齒的失效分析

截齒是采煤機滾筒對煤層進行切割的核心零件，在煤炭開采中也是最易失效、消耗最大、更換最頻繁的煤機零件。由于煤層的復(fù)雜地質(zhì)工況，截齒在切割過程中時時承受煤塊的壓應(yīng)力、磨損、沖擊力以及剪切應(yīng)力等，從而導(dǎo)致截齒出現(xiàn)失效的現(xiàn)象。螺旋滾筒及截齒示意圖如圖1所示。

圖1 螺旋滾筒及截齒示意圖

常見采煤機截齒的失效形式主要包括上錐部磨損、齒體斷裂、截齒變形、合金頭脫落以及截齒從滾筒上脫落丟失的情況，這些失效情況嚴(yán)重影響了截齒截割煤層的效率和煤機單位的采煤生產(chǎn)能力、截齒失效形式如圖2所示，具體失效原因如下。

圖2 截齒失效形式

(1)上錐部磨損。采煤機截齒在切割煤壁的過程中，受到煤矸石、煤塊等堅硬物質(zhì)的影響，產(chǎn)生巨大的壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力，造成截齒截割部位尤其是錐部等的直接磨損而失效[4-6]。

(2)齒體斷裂。在切割煤壁過程中，當(dāng)截齒與煤矸石等堅硬物截割時，剪切應(yīng)力超過截齒本體的強度時就會使截齒齒身斷裂。

(3)截齒變形。因截齒本身的強度和結(jié)構(gòu)等不足以承受截齒截割煤層時的各方面外力，造成截齒齒身彎曲甚至折斷，直接導(dǎo)致截齒失效[7-8]。

(4)合金頭脫落。為了增強截齒的抗磨截割性能，往往在截齒錐部釬焊硬質(zhì)合金的形式來提高其性能，但因各方面原因造成釬焊質(zhì)量差，如釬料熔化不充分、結(jié)合力差、釬焊層有夾雜、齒體不耐磨等，這些缺陷造成硬質(zhì)合金頭在切割過程中因受四周的壓力和磨損而過早脫落，從而造成截齒整體失效。

2 截齒材質(zhì)及強化技術(shù)

2.1 截齒齒體材質(zhì)選擇

國內(nèi)外針對采煤機截齒的各種失效形式和失效機理進行了多方面、多層次的研究，雖然提出了可以適用于工業(yè)應(yīng)用的采煤機截齒強化技術(shù)，然而對于提高采煤機截齒的各項性能指標(biāo)，選擇截齒的材質(zhì)尤其重要。經(jīng)過各項工業(yè)實際應(yīng)用驗證，采煤機截齒優(yōu)選高強合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo，該合金鋼具有高強度、良好的抗沖擊韌性以及良好的淬透性。42CrMo化學(xué)成分見表1。

表1 42CrMo化學(xué)成分 wt.%

2.2 微弧等離子熔覆表面強化技術(shù)

除了選擇強度高、抗沖擊性能強的截齒材質(zhì)外，還需要對截齒表面進行強化處理，改善截齒表面的硬度和耐磨性能，從而提高截齒的整體綜合性能。對截齒表面強化采用微弧等離子熔覆表面強化技術(shù)，該技術(shù)是利用聯(lián)合型等離子弧作為熱源，將基材表面和耐磨合金粉末同時熔化形成熔池，并發(fā)生劇烈的冶金反應(yīng)并在內(nèi)部形成一系列的含有硬質(zhì)相強化相的組織，隨著等離子弧熱源的移動，從而在基材表面形成高硬度、高耐磨、高強度的強化層[9-10]。

根據(jù)采煤機截齒磨損失效特點，采用微弧等離子熔覆表面強化技術(shù)和耐磨合金粉末對截齒易磨損的上錐部進行等離子熔覆強化，截齒上錐部的耐磨合金層相對截齒本體的硬度、強度都有所提高，尤其是耐磨性能提高最為顯著，經(jīng)等離子熔覆強化處理的截齒在進行煤層切割時就能夠抵抗煤層中的煤矸石等堅硬物質(zhì)的磨損，延長截齒的使用壽命[11-14]。

3 截齒表面強化性能

采用微弧等離子熔覆表面強化技術(shù)和鐵基自熔性高碳鉻合金粉末對截齒進行耐磨強化處理，制備試驗所用的試樣塊，便于對截齒表面等離子熔覆層的顯微組織、表面硬度和耐磨性能進行研究。鐵基自熔性高碳鉻合金粉末化學(xué)成分見表2。

表2 鐵基自熔性高碳鉻合金粉末化學(xué)成分 wt.%

3.1 截齒表面等離子熔覆層顯微組織

線切割截取截齒表面等離子強化層，切割尺寸為12 mm×12 mm的金相試樣，經(jīng)研磨拋光后選用王水進行腐蝕，觀察等離子熔覆強化層的顯微組織如圖3所示。

由圖3(a)可以看出，截齒基體與等離子強化層呈冶金結(jié)合，強化層與基材結(jié)合牢固；圖3(b)為等離子強化層，熔覆層以奧氏體相為基礎(chǔ)，在奧氏體相上彌散分布著碳化物硬質(zhì)相(以M7C3為主)，尤其是合金粉末中含有的Cr、V、Ni等強化元素與C已形成碳化物硬質(zhì)相，對于含有V的高碳鉻合金粉末，易形成細小的碳化釩彌散分布在奧氏體基體中，能夠很好地起到彌散強化的作用，初生碳化物和析出的二次碳化物也可以起到細化晶粒的作用，從而提高強化層的硬度和耐磨性，起到強化的效果。

圖3 截齒表面等離子強化層顯微組織

3.2 截齒表面硬度測試

采用HRA150洛氏硬度計對截齒的等離子熔覆強化層進行表面硬度測試，從截齒試樣基材為起點，硬度測試到等離子強化熔覆層，在同一直線上共進行12個點的硬度測試，硬度檢測結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，經(jīng)微弧等離子熔覆表面強化處理的截齒，從截齒基體到等離子強化層硬度提高顯著，由基材的HRC38.6到強化層的HRC53.6，表面硬度提高38.8%，這是由于強化層顯微組織中彌散分布的硬質(zhì)強化相起到了彌散強化的作用，充分說明了微弧等離子熔覆表面強化可以顯著提高截齒的硬度。

圖4 截齒表面硬度檢測結(jié)果

3.3 截齒表面等離子強化層耐磨性試驗

采用磨粒磨損試驗方法，利用橡膠輪磨粒磨損試驗機對截齒表面的等離子強化層進行耐磨性能測試，測試結(jié)果見表3。

表3 截齒表面強化層磨損試驗

由表3可以看出，基材42CrMo的磨損量為1.295 g，經(jīng)微弧等離子強化技術(shù)強化處理的截齒表面強化層的磨損量僅為0.125 g，整體耐磨性提高了10.36倍，耐磨性能極大地提高，這是由于顯微組織中大量存在彌散分布的碳化物硬質(zhì)相，能夠細化晶粒，提高耐磨性，也充分說明了微弧等離子強化技術(shù)對于采煤機截齒的耐磨性能有明顯的提高效果，可以顯著改善采煤機截齒在截割煤層時煤矸石等堅硬物質(zhì)對截齒錐部的磨損抵抗作用，提高截齒的磨損能力。

4 結(jié)語

通過對采煤機截齒的失效形式進行分析和研究，采用微弧等離子強化技術(shù)對截齒表面進行強化處理后，其硬度和耐磨性能提高明顯，硬度提高38.8%，耐磨性能提高10.36倍，從而使截齒在切割煤層時能夠大大改善截齒的耐磨性能，提高截齒的使用壽命，減少截齒的更換頻率，提高煤企生產(chǎn)單位的采煤效率。