采煤用WC—Co硬質(zhì)合金截齒的失效分析

薛瑞

摘?要：對神華神東煤炭有限公司煤田采煤用硬質(zhì)合金截齒進(jìn)行了失效分析，認(rèn)為該煤田截煤齒的主要失效形式為碎裂、磨損和斷裂三種，引起截煤齒失效的主要原因?yàn)楹辖鸬目箯潖?qiáng)度不夠、合金耐磨性較差以及抗疲勞性較差，分析認(rèn)為可通過提高原料純度、改變合金成分、優(yōu)化成型燒結(jié)工藝、控制合金晶粒度以及對合金進(jìn)行熱處理等工藝手段提高增強(qiáng)截煤齒的性能，提高使用壽命。

關(guān)鍵詞：硬質(zhì)合金截煤齒失效分析

中圖分類號(hào)：TD42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）10（a）-0001-02

采煤用WC-Co硬質(zhì)合金截齒由經(jīng)淬火、回火處理的低合金結(jié)構(gòu)鋼刀體上鑲嵌、釬焊WC-Co硬質(zhì)合金刀頭組成，是采煤掘進(jìn)機(jī)械中的易損件。截齒性能的好壞，對采煤生產(chǎn)能力的大小、功率的消耗等均有直接影響，從而直接影響掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)性能和掘進(jìn)成本，是決定掘進(jìn)機(jī)經(jīng)濟(jì)截割的重要因素[1-3]。

文章對內(nèi)蒙古神華神東煤炭有限公司煤田采煤用截齒的失效進(jìn)行了分析，截齒在截割煤層時(shí)，截齒以回轉(zhuǎn)方式推進(jìn)切割，承受高的周期性壓應(yīng)力、剪切彎曲應(yīng)力、周期性或突發(fā)性沖擊載荷等[1，4，5]；另外，由于截齒與煤巖劇烈摩擦而產(chǎn)生的摩擦熱使齒頭表面產(chǎn)生600～800℃的高溫，使截齒還承受著較大的熱應(yīng)力作用，同時(shí)磨損過程中可能還會(huì)伴隨有接觸性疲勞甚至斷裂等多種力學(xué)行為[2]。在如此復(fù)雜的工況條件下工作，截齒很容易發(fā)生失效，為有效提高截齒使用壽命，降低采煤成本，首先必須找出截齒失效的主要形式和原因，因此對截齒進(jìn)行失效分析是相當(dāng)重要的。

1失效形式

采煤用截齒在切割煤層時(shí)承受高的周期性壓應(yīng)力、剪切彎曲應(yīng)力、周期性或突發(fā)性沖擊載荷以及熱應(yīng)力、磨損等作用，雖然煤的硬度不高，但經(jīng)常會(huì)遇到石英、煤矸石等較硬的礦石，截齒在使用過程中發(fā)生失效，其主要失效形式有合金碎裂、磨損和斷裂。

2 失效分析

對公司煤田采煤用截齒失效后的齒頭進(jìn)行觀察分析，齒頭硬質(zhì)合金牌號(hào)為YG9C、YG11C和YG13C礦用硬質(zhì)合金

2.1合金齒的碎裂

合金齒頭在煤層中掘進(jìn)時(shí)，在沖擊載荷作用下，表面處于高壓應(yīng)力狀態(tài)，并且合金齒與煤層并不能完全良好的接觸，若遇到煤層中堅(jiān)硬的礦石，接觸不良區(qū)域還會(huì)增加，在強(qiáng)大的推進(jìn)力作用下，合金齒刃與煤層接觸處承受高的剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力，合金齒頭部將承受很高的拉應(yīng)力，上述應(yīng)力在交變載荷的作用下極易產(chǎn)生沖擊疲勞，疲勞裂紋進(jìn)一步發(fā)展導(dǎo)致大塊的掉塊，當(dāng)應(yīng)力作用超過合金的抗彎強(qiáng)度極限時(shí)將發(fā)生碎裂現(xiàn)象。

截齒在割煤時(shí)是一個(gè)周期性的切割過程，半程割煤半程空轉(zhuǎn)。在割煤過程中，截齒在強(qiáng)大的推進(jìn)力作用下，切割、壓碎煤層，合金齒與煤壁產(chǎn)生劇烈的摩擦，齒頭溫度急劇上升；而在空轉(zhuǎn)過程中，由于空氣、噴水等的冷卻作用，齒頭溫度又會(huì)迅速下降。這種忽冷忽熱的過程使合金齒在承受周期性沖擊載荷的同時(shí)還承受著周期性拉壓交變熱應(yīng)力的作用。由于硬質(zhì)合金鈷相與WC相的熱膨脹系數(shù)不同，鈷相的熱膨脹系數(shù)約為WC相的三倍，因此當(dāng)合金齒溫度升高時(shí)，鈷相中將產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力；當(dāng)合金齒溫度下降時(shí)鈷相又會(huì)產(chǎn)生很大的拉壓力，當(dāng)熱應(yīng)力接近硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度值時(shí)，在該應(yīng)力的循環(huán)作用下，將導(dǎo)致合金熱疲勞裂紋的產(chǎn)生，隨著循環(huán)熱應(yīng)力的不斷作用，熱疲勞裂紋將進(jìn)一步擴(kuò)展從而在宏觀上表現(xiàn)為合金齒的碎裂[2，6]。

一般來說，礦用硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度一般為3200～5000MPa，從硬質(zhì)合金力學(xué)性能上分析認(rèn)為，合金齒頭發(fā)生碎裂現(xiàn)象主要是因?yàn)楹辖鸬目箯潖?qiáng)度值不夠高而導(dǎo)致的，另外合金的微觀缺陷也易產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域從而導(dǎo)致合金的碎裂。

2.2合金齒的磨損

合金齒齒面在截煤工作過程中與煤巖直接接觸相互研磨，由于煤層內(nèi)常會(huì)有磨損性強(qiáng)的石英和煤矸石等雜質(zhì)的存在，會(huì)產(chǎn)生沖擊疲勞和磨粒切削，這會(huì)對截齒產(chǎn)生磨粒磨損失效。采煤機(jī)合金齒在切削煤層時(shí)，由于磨擦生熱使合金齒表面產(chǎn)生600～800℃的高溫，并且溫度的升降是交變的，交替變化的溫度使得礦用截齒要承受熱疲勞磨損；同時(shí)合金齒在交變的沖擊載荷作用下，齒表面會(huì)發(fā)生變形，并且逐漸形成顯微裂紋，顯微裂紋在周期性沖擊載荷作用下會(huì)不斷擴(kuò)展，同時(shí)表層的鈷相被優(yōu)先消耗，WC顆粒會(huì)由于失去鈷相的粘結(jié)作用而脫落，最終表現(xiàn)為合金的顆粒發(fā)生大面積剝落，另外在截煤過程中還會(huì)發(fā)生大顆粒WC碎化而流失的現(xiàn)象[7，8]。

2.3合金齒的斷裂

硬質(zhì)合金齒中存有一定的孔隙、鈷池、表面微裂紋和粗大WC顆粒等缺陷，這些是硬質(zhì)合金本身固有的缺陷，都可以使應(yīng)力集中成為合金的斷裂源；在采煤過程中，由于反復(fù)的沖擊、擠壓、磨損，造成鈷相優(yōu)先擠出流失，合金中依靠鈷相的粘結(jié)作用粘結(jié)在一起的WC顆粒之間的結(jié)合被破壞，WC顆粒發(fā)生脫落，同時(shí)在發(fā)生因沖擊載荷作用下造成WC顆粒的碎化脫落處，也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，易誘發(fā)裂紋的形成和擴(kuò)展[9]。

3 提高合金齒性能的措施

通過分析文章認(rèn)為硬質(zhì)合金齒失效的主要原因有以下三點(diǎn)：①合金的抗彎強(qiáng)度不夠，合金在工作時(shí)瞬時(shí)的沖擊載荷很容易就達(dá)到甚至超過合金的抗彎強(qiáng)度值；②煤層中的石英和煤矸石對合金的磨損；③周期性和突發(fā)性沖擊載荷以及合金齒與煤層劇烈摩擦?xí)r產(chǎn)生的摩擦熱從而造成的沖擊疲勞和熱疲勞裂紋。

因此為了提高硬質(zhì)合金截齒的使用效率，在制備合金時(shí)就應(yīng)盡量提高其抗彎強(qiáng)度、耐磨性，提高合金的疲勞抗性，同時(shí)在使用過程中應(yīng)加大冷卻齒頭力度，盡量減小合金齒的冷熱循環(huán)，延長合金齒使用壽命。

3.1提高合金齒強(qiáng)度、韌性

硬質(zhì)合金中的孔隙度、WC晶粒大小及分布、合金上下密度差等是影響抗彎強(qiáng)度、韌性最主要的因素。

目前人們多通過制備非均勻結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金、粗晶粒礦用合金、梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金、添加微量元素改性粘結(jié)相以及利用新型的成型、燒結(jié)工藝等手段來提高硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和韌性，從而延長了合金的使用壽命[10-12]，美國Smith公司在一份關(guān)于礦用鉆頭的專利中[13]，在適當(dāng)降低了合金鈷含量的前提下，采用平均晶粒度5.8μm的WC生產(chǎn)硬質(zhì)合金，并與普通硬質(zhì)合金進(jìn)行對比，認(rèn)為：用粗晶粒WC和低Co量生產(chǎn)出來的硬質(zhì)合金齒，其抗彎強(qiáng)度、韌性都得到了提高，也就是說，粗晶粒合金在有高耐磨性的同時(shí)，其強(qiáng)度和韌性也得到了提高。

3.2提高合金齒耐磨性

硬質(zhì)合金耐磨性由合金微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分所決定，目前硬質(zhì)合金截齒合金為了保證其具有良好的強(qiáng)度和韌性，一般含鈷量都偏高。人們多通過研究硬質(zhì)合金微觀組織結(jié)構(gòu)、調(diào)整合金化學(xué)成分、控制合金機(jī)械物理性能（如強(qiáng)度、硬度、韌性等）來提高合金的耐磨性，有文章[14-16]指出通過盡量減少合金缺陷的發(fā)生、生長，阻止fcc-Co向hcp-Co轉(zhuǎn)變，添加適量稀土元素等方法可有效提高合金的耐磨性能。

3.3提高合金齒的抗疲勞性能

鈷含量和WC晶粒度是影響硬質(zhì)合金抗疲勞性能的主要因素：熱疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展深度與擴(kuò)展速度均隨著合金鈷含量的提高或WC晶粒的增大而逐漸減小，此外，合金中WC晶粒的增大也將使鈷相的平均自由程增大，從而提高合金的抗疲勞性能。郭圣達(dá)[17]認(rèn)為可通過控制合金顯微組織結(jié)構(gòu)、調(diào)整化學(xué)成分、減少合金殘余應(yīng)力、強(qiáng)化粘結(jié)相、加大粘結(jié)相的平均自由程、增大合金熱導(dǎo)率、阻止fcc-Co向hcp-Co轉(zhuǎn)變、增加合金應(yīng)力功吸收能力等方法來阻止和延緩裂紋擴(kuò)展，可有效提高截齒抗疲勞性，延長截齒使用壽命。

4 結(jié)語

對內(nèi)蒙古神華神東煤炭有限公司煤田用廢的硬質(zhì)合金截煤齒進(jìn)行了失效分析，得到以下結(jié)論：①硬質(zhì)合金截煤齒失效的主要形式有碎裂、磨損和斷裂三種；②合金齒失效的主要原因?yàn)楹辖鸬目箯潖?qiáng)度不夠；耐磨性較差；抗疲勞性較差；③可通過提高原料純度、改變合金成分、優(yōu)化成型燒結(jié)工藝、控制合金晶粒度以及對合金進(jìn)行熱處理等工藝手段提高硬質(zhì)合金截煤齒的使用壽命。

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