采煤机截齿齿体耐磨性能研究.pdf

分类号 U D C 密级 烈漠毒净锉夫晕 硕士学位论文 采煤机截齿齿体耐磨性能研究 T h ea b r a s i v er e s i s t a n c es t u d ya b o u tt h ec u t t i n g p i c k e ro fc o a lc u t t e r 汪旭超 指导教师姓名 申请学位级别 论文定稿日期 学位授予单位 学位授予日期 从善海 副教授 武汉科技大学材料与冶金学院 答辩委员会主席 评阅人 曹阳教授级高工 王若平教授级高工 吴隽副教授 武汉零萼技大学 研究生学位论文刨新健声鳃 本人郑重声明所星交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工佟外，本论文不包含任何其他个入或集体已经发表或撰写过的作龋成果。 对本文的研究镦融重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有夺实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名．丝避 E t ；M 删f ．谚叩 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文盼耢究成果魍武汉瓣搜大学所窍，其研究内客不得以其它孽位 的名义发袭。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的麓定， 同意学校保留并肉有关部门 按照武汉科技大学关予研究生学位论文收录 工作靛规定执行 送交论文的复印传和咆予版本，允许论文被查阕和借阕， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校谈繇的豳家相关数据库进行 检索积对外缀务。 论文作者签名望缝 拯譬教露签名渤 E t 精丝竺鉴翌 Ⅲ4帆6帆Dm 4 眦4眦9川⋯Ⅲ1洲Y 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 截齿由于其恶劣的工作环境，每开采1 万吨煤消耗截齿4 0 肛1 3 0 0 个，中国目前年产 煤约1 2 亿吨，因此作为采煤机上的易损件，其需求量是非常大的。截齿系统中的齿体部 分磨损失效占到其总体失效的4 5 5 0 ％。由于它的大消耗量，所以若能提高截齿的耐磨性 能，会产生巨大的经济效益。 本文针对于采煤机截齿磨损失效的问题，采用多种化学热处理对齿体材料4 0 C r N i M o 进行强化处理，利用X R D 、扫描电镜进行渗层分析，并与未强化试样进行耐磨性对比试验， 最终确定出最佳处理工艺，并探讨了齿体磨损机理。 1 气体渗碳后得到的渗层厚度约为1 ．3 m m ，碳化物弥散分布，对基体起到弥散强 化作用。 2 在渗硼剂配方为5 2 ％旧渗硼剂 3 5 ％F e B 5 ％K B F 8 ％稀土氧化物 C e O 下， 渗硼工艺为9 3 0 ℃x 8 h ，渗硼层的相主要为F e 2 B ，最终的渗硼层的厚度约为1 2 3 岬，平均 显微硬度约为H V l 5 1 8 ．6 。 3 在渗铌剂配方为5 0 ％铌铁 3 2 ％A L 2 0 3 10 ％N I - 1 4 C l 8 ％稀土氧化镧 L a 2 0 3 下， 渗铌工艺为9 9 0 ℃7 l l ，渗铌层的相主要为N b C ，最终的渗铌层的厚度约为1 0 岫，平均显 微硬度约为H V 2 7 7 0 。 4 在模拟截齿磨损环境下，耐磨性能从大N d , 依次为碳．铌复合渗，碳．硼复合渗， 渗碳，未化学热处理强化试样。截齿试样的主要失效形式是磨粒磨损，磨损方式一般为切 削和犁沟。 关键词4 0 C r N i M o ；磨粒磨损；化学热处理；截齿齿体；耐磨性； m e c h a n i s m 1 G a sc a r b u r i z i n gw o r k e r sg e tt h ec a r b u r i z e dl a y e rt h i c k n e s si sa b o u t1 ．3 m m ；c a r b i d e s d i s p e r s e do nt h es u b s t r a t ep l a yt h er o l eo fd i s p e r s i o ns t r e n g t h e n i n g ． 2 I nt h ef o r m u l af o rm a k i n gb o r o n i z i n ga g e n t t h eo l df o r m u l ao f5 2 ％b o t a n i z i n ga g e n t 3 5 ％F e B 5 ％K B F 8 ％C e O ．t h ei n f i l t r a t i o no fb o r o nt h e r m a lp r o c e s si sa t9 3 0 ℃f o r8 h o u r s ，t h em a i np h a s eb o r i d el a y e ri st h eF e 2 B ，t h ef i n a lt h i c k n e s so f b o r i d el a y e ri sa b o u t1 2 3 p r o , t h ea v e r a g eh a r d n e s so fa b o u tH V1518 ．6 ． 3 I nt h es e e p a g en i o b i u mf o r m u l ai s5 0 ％n i o b i u mi r o n 3 2 ％A L 2 0 3 10 ％N H 4 C I 8 ％L a 2 0 3 ，t h es e e p a g en i o b i u mp r o c e s si sa t9 9 0 ℃f o r7h o u r s ，s e e p a g en i o b i u ml a y e rp h a s e m a i n l yi sN b C ，n i o b i u ml a y e rp e r m e a b i l i t yw a st h ef i n a lt h i c k n e s so fa b o u tlO g m ，t h ea v e r a g e h a r d n e s so fa p p r o x i m a t e l yH V 2 7 7 0 ． 4 I nas i m u l a t e de n v i r o n m e n to fa b r a s i o n , t h ew e a l “ r e s i s t a n c ei no r d e rf r o ml a r g e s tt o s m a l l e s ti sC - N bc o m p o s i t ed i f f u s i o n ；C - Bc o m p o s i t ed i f f u s i o n ，c a r b u r i z i n g 。h e a tt r e a t m e n ti sn o t e n h a n c e dc h e m i c a ls a m p l e s ．P i c kt h em a i nf a i l u r em o d eo ft h es a m p l ei sa b r a s i v ew e a r , t h ew e a r m o d e g e n e r a l l yc u t t i n ga n dp l o w i n g ． K e y w o r d s 4 0 C r N i M o ；A b r a s i v ea t t r i t i o n ；c h e m i c a lt r e a t m e n t ；C u t t i n gp i c k ；W e a rr e s i s t a n c e 武汉科技大学硕士学位论文第1 I I 页 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 采煤机截齿的工作特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．1 采煤机截齿的结构及工作状态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。l 1 ．1 ．2 采煤机截齿的失效形式及原因⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 ．2 提高采煤机截齿可靠性的部分措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．1 钢种的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2 表面改性处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 磨损及其影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 ．1 磨损的概念和特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 1 ．3 ．2 煤的磨料磨损⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 1 ．3 ．3 磨损的评定方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．3 ．4 影响钢的耐磨性的主要因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．4 国内外截齿研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．4 ．1 国外截齿工艺发展简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 ．4 ．2 国内截齿发展概况及截齿改进的可行性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 ．5 本论文的研究意义及目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 第二章试验部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 l 2 ．1 试验材料和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 l 2 ．1 ．1 试验材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．1 ．2 磨损试样的设计图和加工流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l l 2 ．1 ．3 试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 试验的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．2 ．1 渗碳工艺的制定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．2 ．2 碳．硼复合渗工艺的制定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．2 ．3 碳．铌复合渗工艺的制定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．3 试验检测方法及仪器设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3 ．1 渗层的观察及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3 ．2 硬度的检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3 ．3 耐磨性的检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3 ．4 磨损表面分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 l 第三章试验结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．1 渗碳结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 第Ⅳ页武汉科技大学 3 ．1 ．1 渗碳工艺分析确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 ．1 ．2 淬火回火工艺的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 ．1 ．3 渗碳层金相组织⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 ．1 ．4 心部组织⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 ．1 ．5 电镜与能谱分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 ．1 ．6 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 ．2 碳．硼复合渗分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．． 3 ．2 ．1 渗硼剂的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．2 ．2 碳．硼复合渗淬火回火分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．2 ．3 碳．硼复合渗后的金相组织分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．2 ．4 渗层硬度及厚度与耐磨性的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．2 ．5 稀土元素的作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．2 ．6 以、{ g i ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．3 碳．铌复合渗⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．3 ．1 渗铌工艺分析确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．3 ．2 回火温度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 3 ．3 ．3 渗铌层的形貌⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．3 ．4 渗铌层的硬度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 ．5 渗铌层的物相分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．3 ．6d 、结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3 ．4 磨损结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 3 3 ．4 ．1 磨损试验数据对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 3 3 ．4 ．2 磨损形貌分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 3 ．4 ．3 磨损机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．4 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 7 3 ．5 工况试验报告⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 8 第四章全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 引言 金融危机席卷全世界后，各国的工业、制造业都在慢慢复苏，降低生产成本，提高产 品的利润空间，是各商家企业应对金融危机的冲击后所首选的办法和途径。截齿生产厂家 通过提高机械设备的稳定性，延长设备的无故障生产时间，在保证产品质量的f ；{ 『提上减少 原材料的使用量，所有的这一切都建立在提高使用材料的性能的基础上。 截齿是安装在综合机械采煤机最前端的切割煤的工具。采煤机工作时，滚筒向前滚动， 滚筒上错落分布的截齿使煤层破碎，从而起到切割煤层的作用。由于截齿工作时直接与煤 层相接触，因此它属于采煤机上的易损件。截齿的磨损受到煤岩层的地质结构、矿物杂质、 截齿结构以及切割速度和切削条件等诸多因素的影响【。据有关部门统计，由于其恶劣的 工作环境，每开采l 万吨煤消耗截齿4 0 0 “ - - 1 3 0 0 个，其波动幅度和消耗量是非常大的。从 中国目前来看，年产煤约1 2 亿吨，其中机械化采煤占9 0 ％以上，因此对截齿的需求量也 是非常大的【2 】。但国产的截齿寿命较低，仅是国外优质截齿 德国截齿 寿命的1 ／3 ，所以 煤矿企业为了稳定开采和经济适用等原因，每年都需要进口大批量的国外截齿[ 3 4 1 。资料 表明，截齿的失效有7 5 ％以上是由于截齿在切割煤层时所致，而截齿系统中的齿体部分磨 损失效占到其总体的4 5 ～5 0 ％【5 】。按每把截齿5 0 元人民币计算，全国煤炭业用在截齿上所 消耗的资金是非常惊人的。材料的磨损不同于其它形式，很少引起金属工件灾难性的危害， 但是其造成的经济损失却是相当惊人的。若能把截齿的平均使用寿命提高，即使是很小的 幅度，也会产生巨大的经济效益。 由此可见，国家迫切需要采用新技术、新材料提高截齿的使用寿命，这将对减少截齿 消耗量，降低吨煤成本，提高劳动生产率，满足生产上的需要，减轻井下工人劳动强度等 都是有很重要的意义的。 1 ．1 采煤机截齿的工作特性 1 ．1 ．1 采煤机截齿的结构及工作状态 镐形截齿由于其结构简单，制造容易的特点，被广泛的应用在综合采煤机上，图1 ．1 是其结构图，图1 ．2 为实物图。合金钢齿柄镶焊锥柱形硬质合金齿尖。其中起主要割截煤 层的是顶端黑色部位的硬质刀头，而黄色齿体部分作为其支撑，类似于牙龈固定牙齿的作 用，当齿体失效过大的时候，那么其“唇薄齿寒“ ，合金头1 “牙齿”的作用也大打折扣。 采煤机截齿在切割煤过程中，截齿以一定角度按螺旋状均匀地分布在采煤机滚筒外圆 面上。当采煤机工作时，滚筒转动，截齿便处于间歇冲击式截煤的工作状态，其中伴随在 煤层中挤压、剪切、破碎和飞出四个阶段。在挤压和剪切这两个阶段中，截齿受力逐渐增 大，一直达到煤体的最高抗压强度，接着致使煤层发生破碎【6 】；然后紧接着进入破碎和飞 出两个阶段，这时截齿所受载荷逐渐降低直至消失。工作过程中截齿与煤层直接接触，其 磨粒磨损特性与煤层结构及硬度有很大关系，煤的硬度较低，一般为H V l 0 0 4 2 0 ，但由于 煤层中常会有不同硬度的杂质，硬度很高，比如煤中的石英、煤矸石和菱铁矿等，其硬度 为H V 9 0 0 ～1 1 0 0 1 7 1 ，对截齿的磨损失效影响很大。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 图1 ．1 结构图图1 ．2 实物图 截齿经长时间切削煤层，磨损产生大量热量，使齿体表面产生6 0 0 , - , 8 0 0 1 2 的高温，而 截齿切削煤层又是周期性的回转运动，故升温是交变的。当截齿接触煤岩时升温，离开煤 岩时降温，这就造成截齿的高温回火，其硬度值下降5 0 ％左右【s 】，加速降低了截齿的寿命； 截齿在切割煤层时，承受高的压应力，剪切应力和冲击负荷【9 l ；由于井下环境介质的腐蚀 作用，截齿的磨损还有一定的腐蚀磨损，在水煤浆腐蚀磨损中，除煤粒及硬矿物对材料表 面造成的犁沟外，介质的腐蚀作用也大大加剧了材料的磨损。 1 ．1 ．2 采煤机截齿的失效形式及原因 截齿的主要失效形式有磨损 包括合金刀头、齿体 ，合金刀头脱落，刀头碎裂．崩刃， 齿体断裂、折断、弯曲变形及截齿丢失。图1 ．3 列举了从一些典型的截齿失效的形式。 图1 ．3 截齿失效形式 分析表明，截齿的齿体断裂、折断、弯曲变形及截齿丢失随机影响较大，不宜预测。 磨损是截齿的正常故障形式之一，与其结构、工矿等因素有着密切的关系，磨损失效是截 齿损坏的主要形式，所以按磨损报废来测定截齿的消耗量是很有意义的【埘。 嘞鬈。l学；，露孽、．z、二 霎、 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 其中截齿失效原因主要有以下几方面 1 抗冲击性能低 通过大量观察损坏的截齿，发现多数截齿的损坏不是正常磨损失效，而是由于其生产 后期处理的不当，造成其硬度过高，冲击韧性较差，致使合金刀头的崩裂而过早地失效， 尤其在硬煤层切割中更为严重。 2 耐磨性差 耐磨性是主要指合金刀头和齿体部分的耐磨性能。国产截齿合金一般含钴量偏高，组 织不完整，密度低，硬度不高，致使截齿合金刀头耐磨性能差；齿体部分则是由于原材料 质量性能不稳定，热处理工艺不当等原因，造成有裂纹、硬度不高，影响其耐磨性，并且 磨损是截齿失效的主要原因⋯1 。 3 掉合金头 截齿掉合金头的原因主要是焊缝的质量差，加工尺寸控制不严格，造成焊缝间隙过大 或过小，致使焊料流动困难，而造成合金头“挤死’’或“缺焊’’；其次是钎焊工艺不当、 焊前处理不好和焊料强度低、钎料选择不当及加热温度不够等原因【1 2 】；截齿齿体头部的断 裂和偏磨也是造成掉合金头的主要原因。 1 ．2 提高采煤机截齿可靠性的部分措施 1 ．2 ．1 钢种的选择 企业首先从性价比的方面去挑选不同的钢材，当然也不能过高的追求钢的耐磨性能， 而忽略后期的处理。国内外截齿用钢一般为加入M o 、M n 、C r 、S i 等合金元素强化的中碳 合金钢。国内新发明的中碳空冷贝氏体合金钢，其成分简单，强韧性配合良好，是具有优 良使用性能的截齿用钢【1 3 】。 、 齿体选材问题根据对截齿的生产要求，齿体材料通常采用具有良好锻造性能的优质合 金结构钢，如4 0 C r N i M o ，3 5 C r M n S i ，4 2 C r M o ，4 0 C r 等，我国普遍采用的是3 5 C r M n S i 。 有些厂家的产品之所以出现齿体折断的比例较大，与其片面降低成本、选用质量差的替代 材料有关。 1 ．2 ．2 表面改性处理 1 利用热喷涂技术对截齿进行处理【1 4 】 热喷涂技术是在热源激发下将喷涂材料加热至熔融状态，并通过鼓动气流的方式使其 雾化，高速喷射到工件表面，形成喷涂层的表面改性技术。该技术已成为当今复合材料研 制领域的一个重要发展方向，例如可沉积陶瓷涂层在金属基体上，将涂层的耐高温、耐磨 等特性与基体材料的强韧性、导热导龟性能等结合起来，进而获得理想复合涂层产品。这 种喷涂工艺，工艺简单，在采煤机截齿体尖端部位喷焊一层高硬度耐磨合金，使其具有不 脆裂高硬度耐磨的特性。合金层与齿体具有良好的冶金结合作用，经处理后的截齿寿命大 概为传统的镶嵌硬质合金截齿1 ．5 ～2 倍左右。但此技术要求十分严格的表面预处理，尤其是 应用于大型钢铁构件的表面工程涂层时，其处理的成本与带来的污染往往成为该技术应用 最大的障碍【1 5 1 。 第4 页武汉科技大学 硕士学位论文 2 利用堆焊技术对截齿进行处理1 1 6 J 利用堆焊技术，按截齿的设计形状要求分层堆焊出截齿头部。其涂层的主要合金元素 为C r 、w 、v ，与钨系高速钢的合金元素含量大致相同。截齿堆焊后，其涂层结构类似铸 造高速钢，组织主要为奥氏体的转变产物和骨骼状的共晶莱氏体，这样机件将具有更高的 性能，如高耐磨性、良好的耐蚀性等其他性能【l 刀。虽然头部硬度比硬质合金的低，但是涂 层的抗冲击性能要明显优于硬质合金，适合在煤层中含有夹矸或有断层的情况下使用。 3 利用等离子束表面冶金对截齿进行处理 等离子束表面冶金技术原则上不会受物质的熔点、相溶性、密度等性质的限制，可任 意配比任意粉末，进而得到普通冶金方法得不到的合金层。在多层等离子冶金过程中，可 以根据要加工处理的试样来确定熔敷层的形状及尺寸，但要注意控制各层间的温度及合金 元素变化。该技术本质上是一种非平衡快速冶金反应过程，是在堆焊和喷涂之后发展起来 的新的涂层技术。与传统截齿处理工艺相比，采用等离子束表面冶金可以使截齿齿体获得 高耐磨和高抗冲击涂层，其寿命可以提高至少2 倍。 4 采用镶铸工艺制造截齿 镶铸截齿是将硬质合金放入铸型型腔中，通过控制铁液中合金元素的加入量，然后一 次性浇注成型。该技术解决了钎焊造成问题，使截齿体具有较好的耐磨性，同时硬质合金 和截齿体之间冶金结合较好。该工艺显著提高合金刀头和齿体相互问的结合力，简化了制 造工艺，降低了制造成本，延长了截齿的使用寿命，但该技术最大的缺点是后期对截齿再 热处理时可能会造成部分变形。 5 激光熔覆技术 金属表面激光熔覆技术就是利用高功率密度的激光快速熔化预涂在金属材料基体上 粉末，发挥激光束加热和冷却速度极快的特点，在基体材料表面熔覆一层均匀致密、结合 牢固且稀释率低的特殊保护涂层，实现涂层与金属基体的冶金结合，从而使金属表面具有 非常高的耐磨、耐蚀、抗高温氧化等性能l 墙- 2 2 ] 。 6 齿体表面化学热处理强化 ①钢的渗碳淬火 目前国内外生产截齿的厂家大多数采用了此方法，且工艺较多。渗碳就是把工件放在 富碳的活性介质中，在9 0 0 - - 9 5 0 “ 2 的高温下加热，并持续保温，使活性碳原子进入工件表 层。渗碳目的主要是提高工件的表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时可以保持了心部具有 良好的韧性。根据表层碳浓度、渗碳深度和金相组织的要求，除去淬火前或淬火后的精加 工余量，工件面的碳浓度控制在0 ．8 ％- - 0 ．9 ％是比较理想的【2 3 1 ，过高或过低都会影响淬火后 的硬化层组织。理想的渗碳层度决定于零件的工件条件及零件尺寸，不过渗碳只能改变工 件表面的化学成分，其最终的强化必须要经过后期适当的热处理。 ②钢的碳．硼复合渗 碳．硼复合渗工艺，主要是指渗碳后再渗硼。在2 0 世纪7 0 年代这个技术上国外就已广泛 用于石油牙轮钻头寿命的提高上面，如美国休斯公司，矿用牙轮钻头在原来渗碳的基础上 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 引入渗硼工艺，进行碳硼复合渗淬火强化，对强化牙爪跑道效果非常显著【2 4 1 ，因此钻头行 业中休斯公司在国际上都有很高的声誉。这个技术在截齿中还未发现使用，本论文进行了 探索试验。 ③钢的碳一铌复合渗 对于渗碳钢进行渗铌之后，渗铌层会有更高的硬度和耐磨性能，铌的的单独微合金化 即可直接提高材料的耐磨性能【2 5 1 。相关研究表明，钢经碳铌复合渗后的耐磨性是碳硼复合 渗处理寿命的1 ．6 2 倍【2 6 】，是一种比较新的技术，目前还未应用在截齿的生产工艺。 1 ．3 磨损及其影响因素 1 J ．1 磨损的概念和特征 磨损是在摩擦时力学、化学及物理作用造成的材料表面损伤，和材料剥落、磨损与摩 擦密切相关，但并不存在明确的量化关系。由于各类机械装备广泛地存在摩擦磨损现象， 并造成巨大的经济损失，所以备受到人们关注。 依据现如今的摩擦学原理，按照表层变化、表面作用和破坏形式这三个方面的情况， 习惯上将磨损主要分为四种典型类型，即粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和磨粒磨损【2 7 1 。 然而针对各类磨损，又可以将材料磨损损伤机制归纳为切削 犁沟 机制、疲劳机制和粘着 机制等。 磨损的主要特征【2 8 】有如下几个方面 1 磨损过程中，材料的剥落过程是在摩擦表面间接触微区内的动态过程中发生，产 生了剧烈的力的相互作用，并伴随物理化学的变化，因此很难直接观测磨屑的形成过程。 尽管在2 0 世纪6 0 年代，诸如能谱仪、电子显微镜等一大批表面微观分析仪器相继普遍化， 并广泛用于表面层结构和组成分析以及表面微观形貌，大力推动了磨损机制研究的更深一 步的发展，但是这些仪器只能应用于磨损前后的静态观察和对比，并无法实现磨损过程的 实时动态监测。 2 材料的摩擦磨损性能与其他力学性能不同，它并非材料的固有特性，而是材料在 实际摩擦系统中展现出的综合性能。也就是说，材料的摩擦磨损性能与它当时所处的条件， 包括接触形态、运行状况、环境状况等密切相关，是某种材料在所处条件下特定的性能展 示，因此材料摩擦磨损性能对所处条件具有非常强烈的依赖性。 3 与材料的其他机械损伤相同，磨损也主要源于在力学作用下的材料强度削减，但 是磨损是特殊的力学难题。其特殊性主要表现为材料承受力学作用的体积和性能是不定 变化的，而且外部施加在材料上的力学作用也是变化的。因此磨损过程是时变性很强的随 机过程，同时该过程又与环境因素紧密相联。 4 现实的磨损一般都是多种机制共存，并且是交互作用的一个失效过程，因此磨损 所表现出的外部特征错综复杂，难以分析。 1 ．3 ．2 煤的磨料磨损 1 微切削磨损【2 9 】 煤中碳化硅、石英等硬质点与零件表面摩擦时，磨损方式一般为切削和犁沟。当磨粒 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 的形状和方向适当时，磨粒在表面进行切削而形成切削和犁沟，不过这种切削的宽度和深 度都很小，因此切屑也很小，这是由于矿物磨粒受机械作用时，一般无弹性或者弹性很差， 这与金属的性质不同，所以它们在磨损过程中会或多或少出现脆性断裂，影响其切削性能。 被磨粒推向前面的金属，由于产生严重的塑性流动，使得表面下层塑性发生相互作用，导 致塑变区内位错密度增加，反复的弹性、塑性变形又使位错集中且材料机械性能明显下降， 进一步在离磨粒一定距离的内层出现位错塞积而产生滑移，当切应力超过材料的剪切强度 时，继而发展成平行于磨粒的剥落。 2 变形磨损 煤的磨损方式以犁沟塑性变形为主，煤的切削性能比一般硬度磨料要差得多，这是因 为煤与石英砂等磨料不同，煤具有一定的弹性和塑性，在一定的外载荷作用下，由于煤的 弹性模量比钢高得多，所以煤首先发生弹性变形。若把煤看作刃具，则相当于刃具变钝， 所以在一定载荷下进行滑动时，磨粒主要在金属材料表面产生犁沟，把表层金属推向两侧 和前面而挤成脊隆，当磨粒形状较圆钝时或者在犁沟的过程中磨粒的棱角而不是棱边对着 运动方向，或者磨粒和被磨材料表面之间的夹角 迎角 太小时，或者表面材料塑性很高时， 磨粒在表面滑过后，往往只能犁出一条沟来，而把材料推向两边和前面，不能切出切削， 特别是夹杂在煤中的硬质点，大概有9 0 ％磨粒发生滚动接触，只能压出印痕，而形成切削 犁沟的概率只有1 0 ％，如球磨机的磨球和衬扳、鄂式破碎机的齿板所造成的磨料磨损都主 要是由于材料表面塑性变形所致。 1 ．3 ．3 磨损的评定方法 磨损工件表面的损伤是材料中表面单个微观体积损坏的总和。由于材料的磨损性能并 不是材料的固有特性，而是与磨损过程中的工作条件、材料本身性能及相互作用等因素有 关的系统特性。因此材料的耐磨性必然也是工作条件的函数，脱离材料的工作条件来评定 材料的耐磨性的好坏是没有实际意义的。 目前对其评定并没有一个统一的尺度。本文主要介绍如下三种方法 1 磨损量 实验室试验中，往往都是先测量试样的重量磨损量W w 失重法 ，然后换算成体积磨 损量W v 来进行比较和分析，评定磨损的长度磨损量w L 在实际设备的磨损监测中使用较多。 不过所有的情况，磨损都是在时间t 的函数，因为，磨损功率w 涞表示时间的特性。 失重法比较简单，它较广泛地适用于各种高，低精度磨损量的测定。但要注意称量前 式样的清洗和干燥以及合适天秤的选择。一般对于中等硬度的材料可以选用万分之一克的 天平。对于某些产生不均匀磨损或局部严重磨损的零件，以及在磨损过程中发生粘着转移 时，失重法就不够准确。对比重相差较大的材料比较磨损量时，一般可采用将磨损失重换 算成提及变化量来评定磨损结果。 2 耐磨性 材料的耐磨性是指某种材料在一定的摩擦条件下抵抗磨损的特性。通常划分为相对耐 磨性和绝对耐磨性两种。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 材料的相对耐磨性￡指的是两种材料a 和b 在相同外部条件下磨损量的比值，并选其中一 个材料最为标准试样。 g A W 门b 不过磨损性能一般都采用绝对指标W ‘1 来进行表示，即用磨损量的倒数来表示，如 W - i1 ／W 式中，W ～材料的耐磨性 W 材料在单位时间或单位运动距离内产生的磨损量，即磨损率。 绝对磨损性和相对磨损性的关系是 8 W a x W 。l 3 磨损比 冲蚀磨损过程中常用磨损率来量度磨损。它必须在稳态磨损的过程中才能进行测量， 在其它磨损阶段中测到的磨损率也将会有较大的差别。 精确而可靠地测定磨损试验的结果是获得材料耐磨性准确信息的保证，也是评定材料 耐磨性的依据。首先必须根据实际零件的使用情况和工作条件来选择便于模拟的磨损试验 装置，然后再来确定适当的测量磨损的仪器，工具和评定方法。 1 ．3 ．4 影响钢的耐磨性的主要因素 1 碳含量 当碳含量低于共析成分的钢，经正火或淬火回火后，其耐磨性随碳含量的增加而提高。 碳含量不同的钢，经热处理到相同硬度时，碳含量高的钢其耐磨性较好，抗磨损的能力亦 随碳含量的增加而增加。． 2 合金元素 在钢中合金元素不影响组织类型的情况下，耐磨性与合金元素关系不大。在低合金钢 中，合金元素对性能的影响主要取决于它们的碳化物形成倾向以及在铁素体中的溶解度。 一般来说，不形成碳化物的元素对耐磨性的影响较弱‘划。但硅虽然不是形成碳化物的元素， 却能起到提高钢的耐磨性能的作用。在硅锰钢和硅铬钢中，适当增加硅含量对提高耐磨性 比较显著。锰是弱碳化物形成元素，在钢中只和铁及其他碳化物联合形成渗碳体型的碳化 物。在低锰钢中，锰对耐磨性也有所改善。在高锰耐磨钢中，锰起扩大奥氏体相区、稳定 奥氏体组织的作用。强碳化物形成元素是提高钢耐磨性的重要元素。 3 碳化物 碳化物的类型是影响耐磨性的关键因素。特殊的合金化合物比普通渗碳体的耐磨性显 著提高。当钢中的碳化物形成元素与碳的原子百分比 M ／C 增加时，随着渗碳体成为特 殊合金碳化物，以及一种特殊碳化物成为另一种金属原子的特殊碳化物 例如 F e 3 C C r T C 3 一C r 2 3 C 6 ，耐磨性均有明显的提高。在碳化物相成分不变时，提高铁素体中合 金元素含量，并不引起耐磨性的提高，但组织为马氏体 碳化物的钢，当M ／C 超过特殊碳化 物所必须值时，则产生马氏体合金化，可进一步提高耐磨性。当钢中出现网状碳化物、各 种形状的碳化物沿晶界析出或大部分基体中缺乏分布均匀的碳化物时，都降低耐磨性。 第8 页武汉科技大学 4 组织 钢的化学成分及热处理对耐磨性的影响，最终是以阻止状态反应出来 铁素体组织的钢耐磨性最差，马氏体组织的钢耐磨性较好，下贝氏体组织的钢耐磨性最好。 经淬火回火后获得回火马氏体组织的钢，比经正火后具有珠光体 铁素体组织的钢耐磨性 显著提高。采用等温淬火可获得下贝氏体组织，因此在相同的硬度下，又比一般淬火回火 可以获得更高的耐磨性。在碳含量相同的情况下，珠光体片状组织的耐磨性总优于球化组 织。珠光体片状组织的钢在碳含量增加到接近共析成分以前，耐磨性随碳含量的增加而显 著提高。当超过共析成分以后，由于出现网状碳化物，耐磨性又趋于下降。亚共析成分的 珠光体钢，耐磨性随珠光体量的增加而提高，而且随珠光体片层之间距离的减少而提高， 即细珠光体组织比粗珠光体组织的耐磨性好。 1 ．4 国内外截齿研究现状 由于截齿工作环境的需求，齿体材料通常采用具有良好锻造性能的合金结构钢【3 M z J ， 如4 0 C r N L M o 、4 2 C r M o 、3 5 C r M n S i ，我国截齿钢材普遍采用3 5 C r M n S i 。从矿上使用反馈 信息来看，对齿体材料没有硬性规定，仅要求齿体材料的化学成分和机械性能符首 G B 3 0 7 7 ．8 2 规定，热处理后的硬度可以达到H R C 4 0 q 5 即可。硬质合金的推荐牌号有1 3 3 , 3 4 ] Y G l 3 C 、Y G l l C 、Y G S C ，硬质合金的组织结构和物理力学性能应满足Y B 8 4 9 的规定。根 据我国煤矿地质情况，硬质合金不仅具有一定的硬度和耐磨性能，又要求具有一定韧性和 抗冲击性，因此选用比Y G S C 韧性高的Y G l l C 或Y G l 3 C ，耐磨性更好。在焊料方面，国 内多采用1 0 5 铜基钎料钎焊接。 1 ．4 ．1 国外截齿工艺发展简介 2 0 世纪5 0 年代初国外硬质合金截齿就已经开始投产使用了，随后许多国家分别都颁 布了截齿质量标准，使生产截齿更具标准化和系列化。国外生产截齿的主要国家有德国、 美国、俄罗斯、英国等。俄罗斯的齿体材料一般采用优质合金钢，例如和我国的钢号 3 5 C r M n S i A 、1 8 C r 2 N i 4 W A 或4 5 C r N i M o 等英国的