采煤机截齿复合渗硼替代焊接硬质合金

金属渗硼层具有良好的抗磨性和红硬性，不足之处是脆性较大[2]。一方面是因为金属渗硼层较薄（通常为30～150μm左右），而其线膨胀率与基体差别大，一旦受力、受热，轻易剥落；另一方面因为金属渗硼层硬度太高（尤其是FeB可达2200～2400HV），一旦受到冲击就可能发生崩落。倘若采用深层渗硼且使其锯齿状组织嵌入基体，就可以将其应用于重载采煤机截齿。如斯，不但可以改善采煤机的工作前提，而且和截齿焊接硬质合金比较还可以降低出产本钱，进步经济效益。本文试图就该设想的可行性进行研究，以扩大渗硼应用范围。

1渗硼试验

1.1渗剂的选择

选用固体渗硼法作为采煤机截齿复合渗硼方式。

试验设备：KSY-12-16型箱式电阻炉、XJT-1型金相显微镜。

通过几种渗硼剂、渗硼厚度、金属渗硼层金相结构以及外观形貌的试验比较，我们选择如下渗剂：15%B4C＋10%Na2SiF6＋2%KBF4＋73%SiC。

1.2截齿材料的选择

采煤机截齿不仅工作环境恶劣，而且还要承受冲击载荷和剪切应力。所以，基材的选择应该既能达到一定的渗层厚度和较好的综协力学机能，又能有较好的强度和韧性。为此，用20钢、45钢、40Cr钢、T8钢及T12钢进行比较试验。通过试件的渗硼厚度、渗硼层外观形貌以及基材碳含量对渗硼层机能等多项结果比较[2]，最后选择45钢为截齿基体材料。

1.3稀土元素对渗硼效果的影响

用我们选择的渗剂不仅可以获得较深的渗层，而且渗层的质量也较好，独一的缺陷是工艺周期太长，约需20h。为此，在渗剂中适量加入了稀土元素，以期缩短渗硼时间、进步基体机能和减少能耗[3]。结果表明，加入10%的稀土元素，可使渗硼速度进步20%～30%。此外，稀土催渗，不仅使渗层化合物深度增加，而且还使扩散层显著加深。

1.4渗硼工艺的正交分析

采煤机截齿工作前提复杂，煤体虽软但其中经常夹着矸石、黄铁矿、石英等硬料。既然要求截齿具有很强的抗冲击和抗磨损能力，就必需对渗硼层厚度提出要求。故此，用正交试验法对渗硼工艺进行了优选。对应的正交设计因素及水平见表1。
 

表1渗硼正交设计因素表

注：对于稀土元素，为减少影响因素使分析简朴，仅考虑其催渗作用，故在此表中不加以体现；A、B、C分别为渗剂中B4C、Na2SiF6、KBF4在渗剂中的百分比含量，D为渗硼温度，E为保温时间。
 

通过试验[4]，最后得到最佳渗剂配方及工艺前提：

15%B4C＋10%Na2SiF6＋2%KBF4＋73%SiC；渗硼温度为950℃，保温时间为16h。对应的渗硼层厚度为850μm，其金相组织见图1。
 

图1截齿复合渗硼后的金相组织

2现场试验

为了检修采用复合渗硼技术处理的采煤机截齿工作效果，经试验室的抗压机能试验、抗扭机能试验、抗冲击机能试验以及抗磨损机能试验后，我们加工了50个截齿（复合渗硼处理），送至河南平顶山煤业团体进行了现场产业性试验，现将有关情况概述如下。

2.1试验方式及前提

将16个渗硼截齿依次安装在MG-150型采煤机滚筒靠煤壁的端头。其中8个截齿按不同的倾角安装。煤层厚度H＝1.8m，煤的硬度f＝1.5，煤灰粉含量：Ad20，夹矸率：1／20，发烧量：5300J，采煤机滚筒直径：1.4m，滚筒一次切割深度：0.5m。

2.2截齿磨损情况比较

经由为期10天的现场产业性试验，16个试验截齿总体工作状况良好。图2为试验前(右)后(左)渗硼截齿外观形貌比较；图3为试验前(左)后(右)同机工作的普通截齿外观形貌比较。
 

图2试验前后渗硼截齿外观形貌比较

图3试验前后同机工作的普通截齿外观形貌比较

从图2、3可以看出，截齿的破坏形式主要仍是磨粒磨损。这主要是因为煤的硬度和夹矸率较低所致。

但是，比较试验结果普通截齿显著比渗硼截齿磨损严峻。对于普通截齿，尤其是靠近煤壁的截齿，因为齿体材料抗磨损机能相对较低，而且齿面发烧加速了齿体磨损，使截齿磨损加剧，硬质合金刀头裸露。而对于渗硼截齿，因为截齿整个齿面均已渗硼（1600～1800HV），抗磨损机能明显增强，延长了截齿的工作寿命。

3结论

经上述分析和试验，采用复合渗硼技术替换采煤机截齿焊接硬质合金工艺，不仅技术上可行，而且经济上也比较公道。经初步测算，复合渗硼处理的截齿较普通截齿可以降低本钱40%，并且渗硼截齿除了可改善截齿工作前提外，还延长寿命2～3倍。此外，采用渗硼截齿，还可以减少更换截齿时间及人工用度，进步出产效率。

参考文献：
[1]A.GF.V马图施卡．渗硼[M]．北京：机械产业出版社，1987：26～40．
[2]李颂文，唐果宁．碳含量对渗硼过程影响的试验研究[J]．湘潭矿业学院学报，1997，（1）：72～75．
[3]程先华等．稀土元素在化学热处理中的应用[J]．上海金属，1995（2）：15～6．
[4]唐果宁，黄良沛，李颂文．渗硼工艺的正交分析研究[J]．金属热处理，1998（6）：26～29．