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采煤机截齿复合渗硼替代焊接硬质合金 |
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作者：胡斌梁 唐果宁 李颂文 |
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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]。一方面是由于金属渗硼层较薄（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，容易剥落；另一方面由于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。如此，不但可以改善采煤机的工作条件，而且和截齿焊接硬质合金比较还可以降低生产成本，提高经济效益。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合力学性能，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性能等多项结果比较[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，唯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、提高基体性能和减少能耗[3]。结果表明，加入10%的稀土元素，可使渗硼速度提高20%～30%。此外，稀土催渗，不仅使渗层化合物深度增加，而且还使扩散层明显加深。
1.4渗硼工艺的正交分析
采煤机截齿工作条件复杂，煤体虽软但其中常常夹着矸石、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，就必须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
| 因素 | 记号 | 水平号 | | 1 | 2 | 3 | | B4C | A | A1＝5% | A2＝10% | A3＝15% | | Na2SiF6 | B | B1＝5% | B2＝10% | B3＝15% | | KBF4 | C | C1＝2% | C2＝4% | C3＝6% | | 渗硼温度／℃ | D | D1＝850 | D2＝950 | D3＝1050 | | 保温时间／h | E | E1＝8 | E2＝16 | E3＝24 |
注：对于稀土元素，为减少影响因素使分析简单，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条件：
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
为了检验采用复合渗硼技术处理的采煤机截齿工作效果，经试验室的抗压性能试验、抗扭性能试验、抗冲击性能试验以及抗磨损性能试验后，我们加工了50个截齿（复合渗硼处理），送至河南平顶山煤业集团进行了现场工业性试验，现将有关情况概述如下。
2.1试验方式及条件
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，发热量：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
经过为期10天的现场工业性试验，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还是磨粒磨损。这主要是由于煤的硬度和夹矸率较低所致。
但是，比较试验结果普通截齿明显比渗硼截齿磨损严重。对于普通截齿，尤其是靠近煤壁的截齿，由于齿体材料抗磨损性能相对较低，而且齿面发热加速了齿体磨损，使截齿磨损加剧，硬质合金刀头裸露。而对于渗硼截齿，由于截齿整个齿面均已渗硼（1600～1800HV），抗磨损性能显著增强，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代采煤机截齿焊接硬质合金工艺，不仅技术上可行，而且经济上也比较合理。经初步测算，复合渗硼处理的截齿较普通截齿可以降低成本40%，并且渗硼截齿除了可改善截齿工作条件外，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费用，提高生产效率。
参考文献：
[1]A.GF.V马图施卡．渗硼[M]．北京：机械工业出版社，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．(end)
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(4/1/2005) |
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