薛瑞

摘?要：對神華神東煤炭有限公司煤田采煤用硬質(zhì)合金截齒進(jìn)行了失效分析，認(rèn)為該煤田截煤齒的主要失效形式為碎裂、磨損和斷裂三種，引起截煤齒失效的主要原因?yàn)楹辖鸬目箯潖?qiáng)度不夠、合金耐磨性較差以及抗疲勞性較差，分析認(rèn)為可通過提高原料純度、改變合金成分、優(yōu)化成型燒結(jié)工藝、控制合金晶粒度以及對合金進(jìn)行熱處理等工藝手段提高增強(qiáng)截煤齒的性能，提高使用壽命。

關(guān)鍵詞：硬質(zhì)合金截煤齒失效分析

中圖分類號：TD42 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）10（a）-0001-02

采煤用WC-Co硬質(zhì)合金截齒由經(jīng)淬火、回火處理的低合金結(jié)構(gòu)鋼刀體上鑲嵌、釬焊WC-Co硬質(zhì)合金刀頭組成，是采煤掘進(jìn)機(jī)械中的易損件。截齒性能的好壞，對采煤生產(chǎn)能力的大小、功率的消耗等均有直接影響，從而直接影響掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)性能和掘進(jìn)成本，是決定掘進(jìn)機(jī)經(jīng)濟(jì)截割的重要因素[1-3]。

文章對內(nèi)蒙古神華神東煤炭有限公司煤田采煤用截齒的失效進(jìn)行了分析，截齒在截割煤層時，截齒以回轉(zhuǎn)方式推進(jìn)切割，承受高的周期性壓應(yīng)力、剪切彎曲應(yīng)力、周期性或突發(fā)性沖擊載荷等[1，4，5]；另外，由于截齒與煤巖劇烈摩擦而產(chǎn)生的摩擦熱使齒頭表面產(chǎn)生600～800℃的高溫，使截齒還承受著較大的熱應(yīng)力作用，同時磨損過程中可能還會伴隨有接觸性疲勞甚至斷裂等多種力學(xué)行為[2]。在如此復(fù)雜的工況條件下工作，截齒很容易發(fā)生失效，為有效提高截齒使用壽命，降低采煤成本，首先必須找出截齒失效的主要形式和原因，因此對截齒進(jìn)行失效分析是相當(dāng)重要的。

1失效形式

采煤用截齒在切割煤層時承受高的周期性壓應(yīng)力、剪切彎曲應(yīng)力、周期性或突發(fā)性沖擊載荷以及熱應(yīng)力、磨損等作用，雖然煤的硬度不高，但經(jīng)常會遇到石英、煤矸石等較硬的礦石，截齒在使用過程中發(fā)生失效，其主要失效形式有合金碎裂、磨損和斷裂。

2 失效分析

對公司煤田采煤用截齒失效后的齒頭進(jìn)行觀察分析，齒頭硬質(zhì)合金牌號為YG9C、YG11C和YG13C礦用硬質(zhì)合金

2.1合金齒的碎裂

合金齒頭在煤層中掘進(jìn)時，在沖擊載荷作用下，表面處于高壓應(yīng)力狀態(tài)，并且合金齒與煤層并不能完全良好的接觸，若遇到煤層中堅(jiān)硬的礦石，接觸不良區(qū)域還會增加，在強(qiáng)大的推進(jìn)力作用下，合金齒刃與煤層接觸處承受高的剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力，合金齒頭部將承受很高的拉應(yīng)力，上述應(yīng)力在交變載荷的作用下極易產(chǎn)生沖擊疲勞，疲勞裂紋進(jìn)一步發(fā)展導(dǎo)致大塊的掉塊，當(dāng)應(yīng)力作用超過合金的抗彎強(qiáng)度極限時將發(fā)生碎裂現(xiàn)象。

截齒在割煤時是一個周期性的切割過程，半程割煤半程空轉(zhuǎn)。在割煤過程中，截齒在強(qiáng)大的推進(jìn)力作用下，切割、壓碎煤層，合金齒與煤壁產(chǎn)生劇烈的摩擦，齒頭溫度急劇上升；而在空轉(zhuǎn)過程中，由于空氣、噴水等的冷卻作用，齒頭溫度又會迅速下降。這種忽冷忽熱的過程使合金齒在承受周期性沖擊載荷的同時還承受著周期性拉壓交變熱應(yīng)力的作用。由于硬質(zhì)合金鈷相與WC相的熱膨脹系數(shù)不同，鈷相的熱膨脹系數(shù)約為WC相的三倍，因此當(dāng)合金齒溫度升高時，鈷相中將產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力；當(dāng)合金齒溫度下降時鈷相又會產(chǎn)生很大的拉壓力，當(dāng)熱應(yīng)力接近硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度值時，在該應(yīng)力的循環(huán)作用下，將導(dǎo)致合金熱疲勞裂紋的產(chǎn)生，隨著循環(huán)熱應(yīng)力的不斷作用，熱疲勞裂紋將進(jìn)一步擴(kuò)展從而在宏觀上表現(xiàn)為合金齒的碎裂[2，6]。

一般來說，礦用硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度一般為3200～5000MPa，從硬質(zhì)合金力學(xué)性能上分析認(rèn)為，合金齒頭發(fā)生碎裂現(xiàn)象主要是因?yàn)楹辖鸬目箯潖?qiáng)度值不夠高而導(dǎo)致的，另外合金的微觀缺陷也易產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域從而導(dǎo)致合金的碎裂。

2.2合金齒的磨損

合金齒齒面在截煤工作過程中與煤巖直接接觸相互研磨，由于煤層內(nèi)常會有磨損性強(qiáng)的石英和煤矸石等雜質(zhì)的存在，會產(chǎn)生沖擊疲勞和磨粒切削，這會對截齒產(chǎn)生磨粒磨損失效。采煤機(jī)合金齒在切削煤層時，由于磨擦生熱使合金齒表面產(chǎn)生600～800℃的高溫，并且溫度的升降是交變的，交替變化的溫度使得礦用截齒要承受熱疲勞磨損；同時合金齒在交變的沖擊載荷作用下，齒表面會發(fā)生變形，并且逐漸形成顯微裂紋，顯微裂紋在周期性沖擊載荷作用下會不斷擴(kuò)展，同時表層的鈷相被優(yōu)先消耗，WC顆粒會由于失去鈷相的粘結(jié)作用而脫落，最終表現(xiàn)為合金的顆粒發(fā)生大面積剝落，另外在截煤過程中還會發(fā)生大顆粒WC碎化而流失的現(xiàn)象[7，8]。

2.3合金齒的斷裂

硬質(zhì)合金齒中存有一定的孔隙、鈷池、表面微裂紋和粗大WC顆粒等缺陷，這些是硬質(zhì)合金本身固有的缺陷，都可以使應(yīng)力集中成為合金的斷裂源；在采煤過程中，由于反復(fù)的沖擊、擠壓、磨損，造成鈷相優(yōu)先擠出流失，合金中依靠鈷相的粘結(jié)作用粘結(jié)在一起的WC顆粒之間的結(jié)合被破壞，WC顆粒發(fā)生脫落，同時在發(fā)生因沖擊載荷作用下造成WC顆粒的碎化脫落處，也會產(chǎn)生應(yīng)力集中，易誘發(fā)裂紋的形成和擴(kuò)展[9]。

3 提高合金齒性能的措施

通過分析文章認(rèn)為硬質(zhì)合金齒失效的主要原因有以下三點(diǎn)：①合金的抗彎強(qiáng)度不夠，合金在工作時瞬時的沖擊載荷很容易就達(dá)到甚至超過合金的抗彎強(qiáng)度值；②煤層中的石英和煤矸石對合金的磨損；③周期性和突發(fā)性沖擊載荷以及合金齒與煤層劇烈摩擦?xí)r產(chǎn)生的摩擦熱從而造成的沖擊疲勞和熱疲勞裂紋。

因此為了提高硬質(zhì)合金截齒的使用效率，在制備合金時就應(yīng)盡量提高其抗彎強(qiáng)度、耐磨性，提高合金的疲勞抗性，同時在使用過程中應(yīng)加大冷卻齒頭力度，盡量減小合金齒的冷熱循環(huán)，延長合金齒使用壽命。

3.1提高合金齒強(qiáng)度、韌性

硬質(zhì)合金中的孔隙度、WC晶粒大小及分布、合金上下密度差等是影響抗彎強(qiáng)度、韌性最主要的因素。

目前人們多通過制備非均勻結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金、粗晶粒礦用合金、梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金、添加微量元素改性粘結(jié)相以及利用新型的成型、燒結(jié)工藝等手段來提高硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和韌性，從而延長了合金的使用壽命[10-12]，美國Smith公司在一份關(guān)于礦用鉆頭的專利中[13]，在適當(dāng)降低了合金鈷含量的前提下，采用平均晶粒度5.8μm的WC生產(chǎn)硬質(zhì)合金，并與普通硬質(zhì)合金進(jìn)行對比，認(rèn)為：用粗晶粒WC和低Co量生產(chǎn)出來的硬質(zhì)合金齒，其抗彎強(qiáng)度、韌性都得到了提高，也就是說，粗晶粒合金在有高耐磨性的同時，其強(qiáng)度和韌性也得到了提高。

3.2提高合金齒耐磨性

硬質(zhì)合金耐磨性由合金微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分所決定，目前硬質(zhì)合金截齒合金為了保證其具有良好的強(qiáng)度和韌性，一般含鈷量都偏高。人們多通過研究硬質(zhì)合金微觀組織結(jié)構(gòu)、調(diào)整合金化學(xué)成分、控制合金機(jī)械物理性能（如強(qiáng)度、硬度、韌性等）來提高合金的耐磨性，有文章[14-16]指出通過盡量減少合金缺陷的發(fā)生、生長，阻止fcc-Co向hcp-Co轉(zhuǎn)變，添加適量稀土元素等方法可有效提高合金的耐磨性能。

3.3提高合金齒的抗疲勞性能

鈷含量和WC晶粒度是影響硬質(zhì)合金抗疲勞性能的主要因素：熱疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展深度與擴(kuò)展速度均隨著合金鈷含量的提高或WC晶粒的增大而逐漸減小，此外，合金中WC晶粒的增大也將使鈷相的平均自由程增大，從而提高合金的抗疲勞性能。郭圣達(dá)[17]認(rèn)為可通過控制合金顯微組織結(jié)構(gòu)、調(diào)整化學(xué)成分、減少合金殘余應(yīng)力、強(qiáng)化粘結(jié)相、加大粘結(jié)相的平均自由程、增大合金熱導(dǎo)率、阻止fcc-Co向hcp-Co轉(zhuǎn)變、增加合金應(yīng)力功吸收能力等方法來阻止和延緩裂紋擴(kuò)展，可有效提高截齒抗疲勞性，延長截齒使用壽命。

4 結(jié)語

對內(nèi)蒙古神華神東煤炭有限公司煤田用廢的硬質(zhì)合金截煤齒進(jìn)行了失效分析，得到以下結(jié)論：①硬質(zhì)合金截煤齒失效的主要形式有碎裂、磨損和斷裂三種；②合金齒失效的主要原因?yàn)楹辖鸬目箯潖?qiáng)度不夠；耐磨性較差；抗疲勞性較差；③可通過提高原料純度、改變合金成分、優(yōu)化成型燒結(jié)工藝、控制合金晶粒度以及對合金進(jìn)行熱處理等工藝手段提高硬質(zhì)合金截煤齒的使用壽命。

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