采煤機(jī)截齒復(fù)合滲硼替代焊接硬質(zhì)合金

金屬滲硼層具有良好的抗磨性和紅硬性，不足之處是脆性較大[2]。一方面是因?yàn)榻饘贊B硼層較薄（通常為30～150μm左右），而其線膨脹率與基體差別大，一旦受力、受熱，輕易剝落；另一方面因?yàn)榻饘贊B硼層硬度太高（尤其是FeB可達(dá)2200～2400HV），一旦受到?jīng)_擊就可能發(fā)生崩落。倘若采用深層滲硼且使其鋸齒狀組織嵌入基體，就可以將其應(yīng)用于重載采煤機(jī)截齒。如斯，不但可以改善采煤機(jī)的工作前提，而且和截齒焊接硬質(zhì)合金比較還可以降低出產(chǎn)本錢，進(jìn)步經(jīng)濟(jì)效益。本文試圖就該設(shè)想的可行性進(jìn)行研究，以擴(kuò)大滲硼應(yīng)用范圍。

1滲硼試驗(yàn)

1.1滲劑的選擇

選用固體滲硼法作為采煤機(jī)截齒復(fù)合滲硼方式。

試驗(yàn)設(shè)備：KSY-12-16型箱式電阻爐、XJT-1型金相顯微鏡。

通過幾種滲硼劑、滲硼厚度、金屬滲硼層金相結(jié)構(gòu)以及外觀形貌的試驗(yàn)比較，我們選擇如下滲劑：15%B4C＋10%Na2SiF6＋2%KBF4＋73%SiC。

1.2截齒材料的選擇

采煤機(jī)截齒不僅工作環(huán)境惡劣，而且還要承受沖擊載荷和剪切應(yīng)力。所以，基材的選擇應(yīng)該既能達(dá)到一定的滲層厚度和較好的綜協(xié)力學(xué)機(jī)能，又能有較好的強(qiáng)度和韌性。為此，用20鋼、45鋼、40Cr鋼、T8鋼及T12鋼進(jìn)行比較試驗(yàn)。通過試件的滲硼厚度、滲硼層外觀形貌以及基材碳含量對滲硼層機(jī)能等多項(xiàng)結(jié)果比較[2]，最后選擇45鋼為截齒基體材料。

1.3稀土元素對滲硼效果的影響

用我們選擇的滲劑不僅可以獲得較深的滲層，而且滲層的質(zhì)量也較好，獨(dú)一的缺陷是工藝周期太長，約需20h。為此，在滲劑中適量加入了稀土元素，以期縮短滲硼時間、進(jìn)步基體機(jī)能和減少能耗[3]。結(jié)果表明，加入10%的稀土元素，可使?jié)B硼速度進(jìn)步20%～30%。此外，稀土催滲，不僅使?jié)B層化合物深度增加，而且還使擴(kuò)散層顯著加深。

1.4滲硼工藝的正交分析

采煤機(jī)截齒工作前提復(fù)雜，煤體雖軟但其中經(jīng)常夾著矸石、黃鐵礦、石英等硬料。既然要求截齒具有很強(qiáng)的抗沖擊和抗磨損能力，就必需對滲硼層厚度提出要求。故此，用正交試驗(yàn)法對滲硼工藝進(jìn)行了優(yōu)選。對應(yīng)的正交設(shè)計(jì)因素及水平見表1。
 

表1滲硼正交設(shè)計(jì)因素表

注：對于稀土元素，為減少影響因素使分析簡樸，僅考慮其催滲作用，故在此表中不加以體現(xiàn)；A、B、C分別為滲劑中B4C、Na2SiF6、KBF4在滲劑中的百分比含量，D為滲硼溫度，E為保溫時間。
 

通過試驗(yàn)[4]，最后得到最佳滲劑配方及工藝前提：

15%B4C＋10%Na2SiF6＋2%KBF4＋73%SiC；滲硼溫度為950℃，保溫時間為16h。對應(yīng)的滲硼層厚度為850μm，其金相組織見圖1。
 

圖1截齒復(fù)合滲硼后的金相組織

2現(xiàn)場試驗(yàn)

為了檢修采用復(fù)合滲硼技術(shù)處理的采煤機(jī)截齒工作效果，經(jīng)試驗(yàn)室的抗壓機(jī)能試驗(yàn)、抗扭機(jī)能試驗(yàn)、抗沖擊機(jī)能試驗(yàn)以及抗磨損機(jī)能試驗(yàn)后，我們加工了50個截齒（復(fù)合滲硼處理），送至河南平頂山煤業(yè)團(tuán)體進(jìn)行了現(xiàn)場產(chǎn)業(yè)性試驗(yàn)，現(xiàn)將有關(guān)情況概述如下。

2.1試驗(yàn)方式及前提

將16個滲硼截齒依次安裝在MG-150型采煤機(jī)滾筒靠煤壁的端頭。其中8個截齒按不同的傾角安裝。煤層厚度H＝1.8m，煤的硬度f＝1.5，煤灰粉含量：Ad20，夾矸率：1／20，發(fā)燒量：5300J，采煤機(jī)滾筒直徑：1.4m，滾筒一次切割深度：0.5m。

2.2截齒磨損情況比較

經(jīng)由為期10天的現(xiàn)場產(chǎn)業(yè)性試驗(yàn)，16個試驗(yàn)截齒總體工作狀況良好。圖2為試驗(yàn)前(右)后(左)滲硼截齒外觀形貌比較；圖3為試驗(yàn)前(左)后(右)同機(jī)工作的普通截齒外觀形貌比較。
 

圖2試驗(yàn)前后滲硼截齒外觀形貌比較

圖3試驗(yàn)前后同機(jī)工作的普通截齒外觀形貌比較

從圖2、3可以看出，截齒的破壞形式主要仍是磨粒磨損。這主要是因?yàn)槊旱挠捕群蛫A矸率較低所致。

但是，比較試驗(yàn)結(jié)果普通截齒顯著比滲硼截齒磨損嚴(yán)峻。對于普通截齒，尤其是靠近煤壁的截齒，因?yàn)辇X體材料抗磨損機(jī)能相對較低，而且齒面發(fā)燒加速了齒體磨損，使截齒磨損加劇，硬質(zhì)合金刀頭裸露。而對于滲硼截齒，因?yàn)榻佚X整個齒面均已滲硼（1600～1800HV），抗磨損機(jī)能明顯增強(qiáng)，延長了截齒的工作壽命。

3結(jié)論

經(jīng)上述分析和試驗(yàn)，采用復(fù)合滲硼技術(shù)替換采煤機(jī)截齒焊接硬質(zhì)合金工藝，不僅技術(shù)上可行，而且經(jīng)濟(jì)上也比較公道。經(jīng)初步測算，復(fù)合滲硼處理的截齒較普通截齒可以降低本錢40%，并且滲硼截齒除了可改善截齒工作前提外，還延長壽命2～3倍。此外，采用滲硼截齒，還可以減少更換截齒時間及人工用度，進(jìn)步出產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)：
[1]A.GF.V馬圖施卡．滲硼[M]．北京：機(jī)械產(chǎn)業(yè)出版社，1987：26～40．
[2]李頌文，唐果寧．碳含量對滲硼過程影響的試驗(yàn)研究[J]．湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，（1）：72～75．
[3]程先華等．稀土元素在化學(xué)熱處理中的應(yīng)用[J]．上海金屬，1995（2）：15～6．
[4]唐果寧，黃良沛，李頌文．滲硼工藝的正交分析研究[J]．金屬熱處理，1998（6）：26～29．