采煤機截齒復合滲硼替代焊接硬質合金

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]。一方面是因為金屬滲硼層較薄（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；另一方面因為金屬滲硼層硬度太高（尤其是FeB可達2200～2400HV），一旦受到沖擊就可能發生崩落。倘若采用深層滲硼且使其鋸齒狀組織嵌入基體，就可以將其應用于重載采煤機截齒。如斯，不但可以改善采煤機的工作前提，而且和截齒焊接硬質合金比較還可以降低出產本錢，進步經濟效益。本文試圖就該設想的可行性進行研究，以擴大滲硼應用范圍。

1滲硼試驗

1.1滲劑的選擇

選用固體滲硼法作為采煤機截齒復合滲硼方式。

試驗設備：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、金屬滲硼層金相結構以及外觀形貌的試驗比較，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

采煤機截齒不僅工作環境惡劣，而且還要承受沖擊載荷和剪切應力。所以，基材的選擇應該既能達到一定的滲層厚度和較好的綜協力學機能，又能有較好的強度和韌性。為此，用20鋼、45鋼、40Cr鋼、T8鋼及T12鋼進行比較試驗。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能等多項結果比較[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，而且滲層的質量也較好，獨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、進步基體機能和減少能耗[3]。結果表明，加入10%的稀土元素，可使滲硼速度進步20%～30%。此外，稀土催滲，不僅使滲層化合物深度增加，而且還使擴散層顯著加深。

1.4滲硼工藝的正交分析

采煤機截齒工作前提復雜，煤體雖軟但其中經常夾著矸石、黃鐵礦、石英等硬料。既然要求截齒具有很強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，用正交試驗法對滲硼工藝進行了優選。對應的正交設計因素及水平見表1。
 

表1滲硼正交設計因素表

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；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[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。對應的滲硼層厚度為850μm，其金相組織見圖1。
 

圖1截齒復合滲硼后的金相組織

2現場試驗

為了檢修采用復合滲硼技術處理的采煤機截齒工作效果，經試驗室的抗壓機能試驗、抗扭機能試驗、抗沖擊機能試驗以及抗磨損機能試驗后，我們加工了50個截齒（復合滲硼處理），送至河南平頂山煤業團體進行了現場產業性試驗，現將有關情況概述如下。

2.1試驗方式及前提

將16個滲硼截齒依次安裝在MG-150型采煤機滾筒靠煤壁的端頭。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，發燒量：5300J，采煤機滾筒直徑：1.4m，滾筒一次切割深度：0.5m。

2.2截齒磨損情況比較

經由為期10天的現場產業性試驗，16個試驗截齒總體工作狀況良好。圖2為試驗前(右)后(左)滲硼截齒外觀形貌比較；圖3為試驗前(左)后(右)同機工作的普通截齒外觀形貌比較。
 

圖2試驗前后滲硼截齒外觀形貌比較

圖3試驗前后同機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。這主要是因為煤的硬度和夾矸率較低所致。

但是，比較試驗結果普通截齒顯著比滲硼截齒磨損嚴峻。對于普通截齒，尤其是靠近煤壁的截齒，因為齒體材料抗磨損機能相對較低，而且齒面發燒加速了齒體磨損，使截齒磨損加劇，硬質合金刀頭裸露。而對于滲硼截齒，因為截齒整個齒面均已滲硼（1600～1800HV），抗磨損機能明顯增強，延長了截齒的工作壽命。

3結論

經上述分析和試驗，采用復合滲硼技術替換采煤機截齒焊接硬質合金工藝，不僅技術上可行，而且經濟上也比較公道。經初步測算，復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，進步出產效率。

參考文獻：
[1]A.GF.V馬圖施卡．滲硼[M]．北京：機械產業出版社，1987：26～40．
[2]李頌文，唐果寧．碳含量對滲硼過程影響的試驗研究[J]．湘潭礦業學院學報，1997，（1）：72～75．
[3]程先華等．稀土元素在化學熱處理中的應用[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．