采煤機(jī)截齒的選材與制造分析

樊恩國

（汾西礦業(yè)集團(tuán)公司靈北煤礦機(jī)電運(yùn)輸區(qū)， 山西 靈石 031302）

引言

截齒是煤礦采煤機(jī)和礦山巷道在掘進(jìn)時(shí)非常常見的一種工具，如圖1所示，其質(zhì)量會(huì)直接影響到采掘機(jī)的工作效率。為了防止截齒在使用過程當(dāng)中出現(xiàn)斷裂等情況，需對其進(jìn)行改進(jìn)，高強(qiáng)度的截齒材料制造可讓其使用壽命得到延長，從而滿足最大化采掘效率的追求。國內(nèi)廠家的截齒消耗率一般來說都是每萬噸消耗80到200把，國外的截齒損耗率僅僅是每萬噸消耗20把。因此，對于采煤機(jī)的截齒研究還需進(jìn)一步改進(jìn)，以提升其選材和制造工藝的水平。

圖1 采煤機(jī)截齒

1 截齒的工作原理及失效形式

采煤機(jī)的工作是通過對旋轉(zhuǎn)滾筒上的截齒來進(jìn)行旋轉(zhuǎn)從而對煤場進(jìn)行有效切割，最終做好開采工作，在對煤層的截取當(dāng)中截齒需要承受到較高壓強(qiáng)的力，因此其可能會(huì)出現(xiàn)破損變形或者是脫落斷裂等情況，影響到截齒使用壽命。除此之外，煤礦的條件、截齒的形狀等也會(huì)影響到使用壽命，但是最主要的影響因素還是材料本身，截齒的失效主要有以下幾種原因：

1.1 磨損與斷裂失效

截齒在煤炭切割當(dāng)中會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的摩擦，這樣就會(huì)使其出現(xiàn)一定的磨損情況，通過對截齒的應(yīng)力分布分析，可以發(fā)現(xiàn)在截齒受力過程當(dāng)中，其應(yīng)力最大受力點(diǎn)在于其工作頭部，這部分磨損最為嚴(yán)重，可能會(huì)導(dǎo)致截齒產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損而失效，在實(shí)際的生產(chǎn)當(dāng)中，有50%以上的截齒失效的情況是由磨損而造成的。同時(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中還會(huì)出現(xiàn)截齒斷裂等情況，原因在于在切割煤礦的時(shí)候由于較大的沖擊載荷，就會(huì)使得刀頭受到較大的沖擊力，在遇到比較堅(jiān)硬的煤矸石時(shí)，就可能會(huì)造成其受到的力超過其強(qiáng)度極限而發(fā)生嚴(yán)重的斷裂情況，產(chǎn)生斷裂的主要原因包括截齒材料的強(qiáng)度較差或者是其表面內(nèi)部結(jié)構(gòu)不夠合理，在一定應(yīng)力的作用下，就可能會(huì)導(dǎo)致其裂紋有較為嚴(yán)重的擴(kuò)展而出現(xiàn)斷裂情況。通過分析，其裂紋主要集中在截齒的表面，裂紋在形成之后容易向內(nèi)部擴(kuò)展，所以截齒材料應(yīng)該具有較好的柔韌性和較高的強(qiáng)度才能夠減少斷裂，同時(shí)對于表面和內(nèi)部的結(jié)構(gòu)應(yīng)該同等重視，通過對其表面質(zhì)量的強(qiáng)化可以有效防止其出現(xiàn)斷裂的情況。

1.2 硬質(zhì)合金齒頭的破碎及脫落

在截齒對煤礦進(jìn)行切割的時(shí)候，如果遇到煤礦當(dāng)中比較堅(jiān)硬的礦石，刀頭就會(huì)處于到高壓應(yīng)力的狀態(tài)，在截齒和煤層接觸的區(qū)域就會(huì)承受到較高的剪應(yīng)力，如果這樣的應(yīng)力超過其強(qiáng)度極限，就可能會(huì)導(dǎo)致刀頭出現(xiàn)破碎或者是脫落的情況，當(dāng)結(jié)石在磨損到一定程度時(shí)，表面的硬質(zhì)合金將會(huì)出現(xiàn)脫落。硬質(zhì)合金的脫落也和其焊接的質(zhì)量有著密切的關(guān)系，如果焊接處不能有效排除空氣而存在著一些雜質(zhì)，就可能會(huì)使其應(yīng)力強(qiáng)度變低。硬質(zhì)合金刀頭脫落的主要原因在于其截齒表面工作強(qiáng)度過低，因此通過對材料進(jìn)行改進(jìn)，可以有效避免其發(fā)生脫落的情況[1]。

2 截齒材料的種類及其性能特點(diǎn)

目前國內(nèi)外常用的截齒材料合金系列主要有Cr-Mo系、Mn-B 系、Cr-Ni-Mo系、Cr-Mn-Si系、Si-Mn-Mo系等，通過對其生產(chǎn)方法進(jìn)行分析和探討，可以將其分為鑄造截齒材料和鍛造截齒材料。截齒材料的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般來說在0.3～0.45之間，其含碳量處于中間位置，按照國家的要求，其截齒的沖擊韌性和剪切強(qiáng)度等都應(yīng)該達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。

Cr-Mo系截齒材料典型鋼種為42CrMo鋼，它的強(qiáng)度較高，同時(shí)在高溫下有著較為持久的強(qiáng)度，其生產(chǎn)工藝主要是在熱處理（840℃油淬+360～400℃回火）后，所得的組織就有著較高的疲勞極限，同時(shí)可以抗住多次的高強(qiáng)度沖擊，在低溫的沖擊下依然有較好的韌性[2]。

Cr-Mn-Si系截齒材料典型代表為35CrMnSi，截齒材質(zhì)的常規(guī)熱處理工藝為880℃油淬+380～430℃回火，其硬度較強(qiáng)，耐磨性也較好，可以在較復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境下進(jìn)行工作，其截齒壽命是普通材料的1.5倍以上。因此在實(shí)際的生產(chǎn)當(dāng)中，需要做好熱處理工作，如果表面機(jī)械加工質(zhì)量不到位的話，就可能會(huì)使其造成一定的斷裂情況。

3 截齒的制造工藝

3.1 截齒的生產(chǎn)工藝

目前來說，對于截齒的生產(chǎn)工藝主要有兩種方法：第一種是通過軋制材料對其進(jìn)行鍛造，形成截齒的毛坯料，結(jié)合熱處理之后對其頭部進(jìn)行硬質(zhì)合金焊接，再進(jìn)行淬火以提升其機(jī)械強(qiáng)度，對其硬質(zhì)合金進(jìn)行重新加熱，以一定的溫度強(qiáng)制進(jìn)行空冷，否則會(huì)使得焊縫的質(zhì)量受到影響。第二種方法是通過鑄造的方法來對截齒進(jìn)行制造，將截齒和硬質(zhì)合金進(jìn)行一次鑄造，成功之后進(jìn)行統(tǒng)一熱處理，對于大功率的綜合開采機(jī)來說，采用這種方式，有利于實(shí)現(xiàn)零件的一體化，通過生產(chǎn)線來實(shí)現(xiàn)截齒的高效生產(chǎn)。

3.2 截齒的表面處理

對于截齒材料表面進(jìn)行處理有利于提升其壽命，加強(qiáng)耐磨性，目前來說對其進(jìn)行處理的方法有以下幾種：

3.2.1 堆焊硬質(zhì)合金

根據(jù)截齒的實(shí)際受力情況來對其進(jìn)行分析，截齒的最大受力點(diǎn)在其煤層發(fā)生直接切割的部位，應(yīng)當(dāng)采用堆焊耐磨合金的方法來強(qiáng)化刀頭。通過使用有較好耐磨性和較高硬度的堆焊材料來對其進(jìn)行堆焊，從而能夠形成一個(gè)抗腐蝕的防護(hù)帶，有利于其提升使用壽命，加強(qiáng)耐磨特性，堆焊的時(shí)候一般要用等離子弧的堆焊材料，這樣可以使其應(yīng)用效果更優(yōu)，為了使截齒的堆焊修復(fù)工作變得簡潔，截齒能夠反復(fù)的使用，一般通過在截齒頭部塑造一層耐磨層，可以有效防止其出現(xiàn)脫落，而且成本較低，操作簡單，適應(yīng)于各種環(huán)境下的強(qiáng)化工作[3]。

3.2.2 表面熱噴涂

通過熱噴涂技術(shù)來使截齒表面耐磨性能得以提升，如圖2所示。熱噴涂技術(shù)主要是通過熱源將需要噴涂的材料覆蓋到其表面，然后加熱使其融化，形成一定的涂層，熱噴涂涂層可以有效增強(qiáng)其強(qiáng)度，提升截齒的使用壽命。一般來說，在截齒材料的頭部要噴一層金屬陶瓷等材料有利于讓其使用壽命提高到原來材料的1.5倍以上。

圖2 熱噴涂工藝

3.2.3 表面冶金方法

表面冶金技術(shù)是通過利用等離子弧來作為熱源使得其材料表面能夠產(chǎn)生一層較為致密的保護(hù)涂層，然后實(shí)現(xiàn)截齒表面的融合，如圖3所示。等離子熔覆技術(shù)有著較好的強(qiáng)化效應(yīng)，應(yīng)用等離子束表面對截齒頭部進(jìn)行有效處理，可以形成復(fù)合涂層，熔覆涂層和截齒表面的融合，使其具有較高的耐磨性能，使用壽命也得到較大的延長。

圖3 表面冶金工藝

3.2.4 化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是對截齒的表面進(jìn)行滲碳、滲硼、滲鉻等化學(xué)熱處理，通過在截齒表面形成硬度較高的化合物以提升其耐磨性能。滲碳是通過碳原子的吸附和擴(kuò)散的效能來讓截齒表面的硬度大大改善，防止其他化學(xué)物質(zhì)的腐蝕，使得截齒的使用壽命可以在加工過程中得到較大的延伸。

4 結(jié)語

對截齒的材料進(jìn)行有效選取，同時(shí)在制造工藝上提升其強(qiáng)度，有利于增強(qiáng)其硬度和耐磨性，對截齒表面進(jìn)行處理可以有效延長其使用壽命。