基于等離子堆焊技術(shù)降低綜掘機(jī)截齒損失的研究

馬 嘉

（霍州煤電集團(tuán)汾源煤業(yè)公司 ，山西 霍州 035100）

0 引 言

截齒的機(jī)械性能和質(zhì)量影響著綜掘機(jī)掘進(jìn)巷道的速度和掘進(jìn)成本。為提高截齒的使用壽命[1]大多采用激光熔覆、CVD、PVD、增加合金材料等技術(shù)、方法。綜掘機(jī)截齒在巷道鑿巖時(shí)，易受沖擊載荷、擠壓、摩擦、交變熱應(yīng)力等因素影響，往往是多種因素共同作用在截齒上。綜掘機(jī)截齒有截齒磨損、刀頭脫落、刀頭碎裂等幾種失效形式，而其中截齒磨損是綜掘機(jī)截齒損失最為嚴(yán)重的，這就造成了綜掘機(jī)必須經(jīng)常修復(fù)或者更換。

為了降低綜掘機(jī)在掘進(jìn)時(shí)截齒損失，采用等離子堆焊工藝方法對(duì)礦用截齒進(jìn)行處理加工。制備等離子材料，采用堆焊技術(shù)使得基體材料與冶金相結(jié)合，相當(dāng)于該等離子涂層被穿在了截齒上面[2]，進(jìn)而增強(qiáng)綜掘機(jī)截齒的硬度、剛度、韌度等性能。熱源是轉(zhuǎn)移型等離子弧，壓縮等離子弧時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬間高溫，金屬粉末在高溫下熔化，熔化后與基體材料作用形成合金。為了能夠降低掘進(jìn)巷道成本，減緩綜掘機(jī)截齒的失效，提高巷道成型效率，有效保障綜掘機(jī)正常工作，對(duì)綜掘機(jī)截齒損失采取改進(jìn)措施，這對(duì)提高綜掘機(jī)截齒的壽命和使用效果具有里程碑的價(jià)值。

1 綜掘機(jī)截齒損失種類

1）截齒磨損。齒體磨損和刀頭磨損是綜掘機(jī)在掘進(jìn)時(shí)截齒磨損主要兩種形式。煤巖硬度、煤巖腐蝕性容易造成截齒磨損，其程度不僅受煤巖體硬度、腐蝕性影響還會(huì)受工作環(huán)境影響。煤巖成分中含有石英、鐵礦等大量礦物質(zhì)，它們會(huì)對(duì)截齒造成磨料磨損。尖銳煤巖會(huì)使得截齒劃傷、拉傷，再加上截齒工作時(shí)間長，被截割體堅(jiān)硬，工作環(huán)境腐蝕強(qiáng)等，就會(huì)磨損截齒刀頭和齒體。一般截齒刀頭基本都是硬質(zhì)合金，但該類型刀頭含雜質(zhì)，晶粒不均勻，組織雜亂，相應(yīng)質(zhì)量性能就有所下降，且綜掘機(jī)在掘進(jìn)巷道時(shí)工作時(shí)間長，長時(shí)間工作必然溫度升高，帶來的后果就是截齒硬度下降，截齒刀頭加劇磨損[3]。

2）刀頭脫落。刀頭和齒體焊接技術(shù)不過關(guān)、截齒偏磨、截割時(shí)反復(fù)沖擊，這些就會(huì)造成刀頭脫落。硬質(zhì)合金刀頭和齒體共同組成截齒，因材質(zhì)區(qū)別，刀頭與齒體焊縫處強(qiáng)度低，截齒在工作時(shí)就容易發(fā)生刀頭脫落。長時(shí)間工作，截齒與煤巖體產(chǎn)生磨損，降低了截齒強(qiáng)度，刀頭也會(huì)脫落。煤巖狀態(tài)復(fù)雜，截齒容易發(fā)生偏磨，增大了截割阻力，促使刀頭脫落。煤巖本身物理強(qiáng)度就高，綜掘機(jī)截齒工作反復(fù)承受沖擊載荷，焊縫強(qiáng)度不夠，很容易造成刀頭脫落[4]。

3）刀頭碎裂。材料質(zhì)量和焊接技術(shù)是刀頭碎裂的主要因素。硬質(zhì)合金中常夾有石墨雜質(zhì)，分布不均勻的晶粒，經(jīng)常受到復(fù)雜的沖擊力，截齒在截割時(shí)又處于高應(yīng)力狀態(tài)下，隨著工作時(shí)間的延長，溫度升高過快，在高溫下刀頭硬度下降，刀頭便發(fā)生碎裂。焊接中存在焊接殘余應(yīng)力，焊縫強(qiáng)度不足，在煤巖體高強(qiáng)度沖擊載荷下，使得刀頭碎裂。

4）截齒受力。掘進(jìn)巷道時(shí)綜掘機(jī)割煤巖體，截齒受力的影響主要受巖石的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的作用，其受力關(guān)系可以簡化為公式（1）、（2）和（3）。

2 等離子堆焊材料及工藝

2.1 合金材料

眾多截齒研究者研究了大量等離子堆焊技術(shù)，基本采用的是自熔性合金粉末作為堆焊粉末。自熔性合金粉末又細(xì)分為鈷基自熔性和鎳基自熔性，自熔性合金粉末具有良好的致密性、高強(qiáng)度、韌性好、硬度高、耐磨等綜合性能。自熔性合金粉末成分中各自所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。

表1 合金中成分各自所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1）具有鈷基的自熔性合金粉末。以司太立合金為基礎(chǔ)，進(jìn)一步發(fā)展得到鈷基自熔性合金粉末。鈷是基礎(chǔ)材料，材料中輔以適量硼、硅等元素，這就形成了等離子，加上堆焊工藝在截齒上進(jìn)行涂層。截齒經(jīng)過鈷基自熔性合金粉末堆焊涂層加工后，使得綜掘機(jī)截齒具有致密性好、高強(qiáng)度結(jié)合性、韌性好等優(yōu)點(diǎn)，大大改善了截齒損失。

2）具有鎳基的自熔性合金粉末。鎳元素作為主材質(zhì)，加以輔助其他元素，就形成了鎳基自熔性合金粉末，等離子涂層就具有優(yōu)良的自熔性、潤濕性、堆焊性、低熔點(diǎn)特性。截齒經(jīng)過鎳基自熔性合金粉末堆焊涂層加工后，使得綜掘機(jī)截齒具有硬度高、耐蝕、耐磨、抗氧化等特點(diǎn)。

2.2 陶瓷材料

金屬元素和非金屬元素構(gòu)成無機(jī)非金屬陶瓷材料。陶瓷材料具有硬度很高、不導(dǎo)電、隔熱效果好、熔點(diǎn)高、耐磨性強(qiáng)等特性，是制作刀具適宜材料，這為降低截齒損失提供了新方法、新工藝、新技術(shù)。

TiC碳化物陶瓷，因其硬度高、熔點(diǎn)高、耐高溫、耐磨等特性，可以考慮在截齒中加以該陶化材料。密度低、熱導(dǎo)率高、硬度高的Cr3C2陶瓷粉末可加到等離子堆焊當(dāng)中，在掘進(jìn)頭部件的軸承、墊圈、刀頭中采用該材料進(jìn)行堆焊，有助于提高綜掘機(jī)掘進(jìn)頭強(qiáng)度、韌性、耐蝕性、耐磨性、高溫紅硬性[5]。熔點(diǎn)高、硬度大、化學(xué)穩(wěn)定的WC陶瓷粉末加到等離子中，在綜掘機(jī)截齒堆焊中用該等離子進(jìn)行處理，有助于截齒結(jié)構(gòu)缺陷少、硬度高、微觀應(yīng)變小等眾多優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)現(xiàn)在使用的一般截齒缺陷。

2.3 等離子堆焊工藝

為了降低綜掘機(jī)在截割煤巖時(shí)截齒損失，采用42CrMo低合金鋼粉末，在基體表面進(jìn)行等離子堆焊處理，形成合金堆焊層。Ni60自熔性合金粉末是主體的堆焊合金粉末，把Cr3C2、WC和TiC粉末按照規(guī)定比例進(jìn)行均勻混合，為的是保證堆焊層成分均勻，確保截齒性能優(yōu)良。等離子合金粉末混合均勻后，制備成長為30cm、直徑為3mm的焊條試樣。

采用數(shù)字化堆焊機(jī)，數(shù)字機(jī)可以設(shè)定堆焊電流、噴槍移動(dòng)速度、保護(hù)氣流量等相關(guān)參數(shù)，設(shè)置好后，通過自動(dòng)控制程序?qū)嵭袑?duì)截齒等離子堆焊加工。截齒等離子堆焊工藝參數(shù)如表2所示。

表2 截齒等離子堆焊工藝參數(shù)

3 堆焊截齒磨損試驗(yàn)

3.1 堆焊截齒與一般截齒

為了驗(yàn)證綜掘機(jī)截齒在等離子堆焊處理后，其截齒齒尖的耐磨性和截割載荷對(duì)截齒的影響，對(duì)堆焊處理的截齒和一般截齒對(duì)比試驗(yàn)。堆焊截齒是等離子堆焊工藝處理的耐磨涂層合金材料，在相同條件下，兩種截齒均做100刀次截割試驗(yàn)。普通截齒與等離子堆焊技術(shù)處理的截齒如圖1所示。

圖1 普通截齒與堆焊截齒

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)截齒試驗(yàn)后的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，堆焊截齒和普通截齒磨損量分別為1.2g、4.6 g，質(zhì)量損失率分別為0.07%、0.28%。試驗(yàn)結(jié)束后的堆焊截齒和普通截齒磨損情況如圖2所示，與試驗(yàn)前的圖1相比，堆焊截齒的磨損量少，普通截齒磨損嚴(yán)重，說明堆焊截齒耐磨性明顯比普通截齒具有優(yōu)勢(shì)。堆焊截齒在截齒及外延部分均作了等離子堆焊耐磨涂層技術(shù)，為降低截齒損壞起了很大的作用。

圖2 普通截齒與堆焊截齒磨損后的變化情況

在截割的磨損試驗(yàn)中可以得出，構(gòu)成合金頭齒尖和錐形齒體部分材料不僅重要，而且等離子堆焊處理對(duì)截齒的耐磨性能也具決定性作用。為了改善截齒性能，降低截齒損失，硬質(zhì)合金截齒的錐體部分采用碳化鎢、鎳基耐磨材料、鐵基耐磨材料做等離子堆焊涂層處理，使整個(gè)截齒提高耐磨性，如圖3所示。

圖3 截齒堆焊處理后剖開情況

4 工業(yè)性實(shí)踐

4.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了研究等離子堆焊處理的截齒破碎效果，普通截齒和堆焊截齒在人工巖壁上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，如圖4所示。為了了解截割功率、速度、破碎率等情況，運(yùn)用FLUKE435分析儀進(jìn)行采集、分析。

在開始掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)機(jī)截割臂位于中位軸線位置，普通截齒截割鉆進(jìn)后整個(gè)截割頭左右搖擺，而堆焊截齒在截割時(shí)比較平穩(wěn)，未發(fā)現(xiàn)較大擺動(dòng)；普通截齒截割速度較慢，而堆焊截齒截割明顯快于普通截齒截割；在相同截割巖上，普通截齒截割需要的電機(jī)功率高于堆焊截齒功率。

圖4 人工現(xiàn)場(chǎng)截割試驗(yàn)

若截齒有磨損，則截齒材料損失部分滯留在被截割體表面，縫隙呈黑色。兩種截齒截割巖石表面如圖5所示，對(duì)比觀察可知，普通截齒截割后，黑色較為明顯，說明截齒磨損材料較多；堆焊截齒截割的巖體截割線均勻，表面黑色較少，說明堆焊截齒損失較少。

圖5 普通截齒和堆焊截齒截割對(duì)比

4.2 井下試驗(yàn)

為了研究堆焊截齒是否在煤礦井下具有可行性，在代池壩煤礦做了巷道掘進(jìn)試驗(yàn)，對(duì)上述普通截齒和堆焊截齒分別投入使用。在使用過程中發(fā)現(xiàn)等離子堆焊涂層處理過的截齒的截割性能優(yōu)于普通截齒，堆焊截齒平均消耗量為0.06把/m3，普通截齒平均消耗量為0.15把/m3。因此，在同條件截割下，經(jīng)過等離子堆焊技術(shù)處理可以有效提高綜掘機(jī)截齒的耐磨性，有助于減少截齒齒尖斷裂失效，顯著降低了綜掘機(jī)在掘進(jìn)時(shí)截齒損失。

5 結(jié) 論

從綜掘機(jī)截齒損失種類出發(fā)，介紹了等離子堆焊材料和堆焊參數(shù)、工藝，并對(duì)堆焊截齒在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)做了相應(yīng)試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

1）截齒損失有截齒磨損、刀頭脫落和刀頭碎裂三種情況，而截齒磨損是綜掘機(jī)截齒損失的主要類型。

2）等離子堆焊材料采用了合金材料和陶瓷材料，運(yùn)用這兩大類復(fù)合材料對(duì)截齒進(jìn)行了等離子堆焊處理。

3）分別在實(shí)驗(yàn)室做了實(shí)驗(yàn)性試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)做了工業(yè)性實(shí)踐，試驗(yàn)表明堆焊截齒截割效果好，比普通截齒損失量小，說明等離子堆焊技術(shù)能夠有效降低綜掘機(jī)截齒損失。