采煤机截齿的选材与制造分析

樊恩国

（汾西矿业集团公司灵北煤矿机电运输区， 山西 灵石 031302）

引言

截齿是煤矿采煤机和矿山巷道在掘进时非常常见的一种工具，如图1所示，其质量会直接影响到采掘机的工作效率。为了防止截齿在使用过程当中出现断裂等情况，需对其进行改进，高强度的截齿材料制造可让其使用寿命得到延长，从而满足最大化采掘效率的追求。国内厂家的截齿消耗率一般来说都是每万吨消耗80到200把，国外的截齿损耗率仅仅是每万吨消耗20把。因此，对于采煤机的截齿研究还需进一步改进，以提升其选材和制造工艺的水平。

图1 采煤机截齿

1 截齿的工作原理及失效形式

采煤机的工作是通过对旋转滚筒上的截齿来进行旋转从而对煤场进行有效切割，最终做好开采工作，在对煤层的截取当中截齿需要承受到较高压强的力，因此其可能会出现破损变形或者是脱落断裂等情况，影响到截齿使用寿命。除此之外，煤矿的条件、截齿的形状等也会影响到使用寿命，但是最主要的影响因素还是材料本身，截齿的失效主要有以下几种原因：

1.1 磨损与断裂失效

截齿在煤炭切割当中会产生较为严重的摩擦，这样就会使其出现一定的磨损情况，通过对截齿的应力分布分析，可以发现在截齿受力过程当中，其应力最大受力点在于其工作头部，这部分磨损最为严重，可能会导致截齿产生严重的磨损而失效，在实际的生产当中，有50%以上的截齿失效的情况是由磨损而造成的。同时在实际生产中还会出现截齿断裂等情况，原因在于在切割煤矿的时候由于较大的冲击载荷，就会使得刀头受到较大的冲击力，在遇到比较坚硬的煤矸石时，就可能会造成其受到的力超过其强度极限而发生严重的断裂情况，产生断裂的主要原因包括截齿材料的强度较差或者是其表面内部结构不够合理，在一定应力的作用下，就可能会导致其裂纹有较为严重的扩展而出现断裂情况。通过分析，其裂纹主要集中在截齿的表面，裂纹在形成之后容易向内部扩展，所以截齿材料应该具有较好的柔韧性和较高的强度才能够减少断裂，同时对于表面和内部的结构应该同等重视，通过对其表面质量的强化可以有效防止其出现断裂的情况。

1.2 硬质合金齿头的破碎及脱落

在截齿对煤矿进行切割的时候，如果遇到煤矿当中比较坚硬的矿石，刀头就会处于到高压应力的状态，在截齿和煤层接触的区域就会承受到较高的剪应力，如果这样的应力超过其强度极限，就可能会导致刀头出现破碎或者是脱落的情况，当结石在磨损到一定程度时，表面的硬质合金将会出现脱落。硬质合金的脱落也和其焊接的质量有着密切的关系，如果焊接处不能有效排除空气而存在着一些杂质，就可能会使其应力强度变低。硬质合金刀头脱落的主要原因在于其截齿表面工作强度过低，因此通过对材料进行改进，可以有效避免其发生脱落的情况[1]。

2 截齿材料的种类及其性能特点

目前国内外常用的截齿材料合金系列主要有Cr-Mo系、Mn-B 系、Cr-Ni-Mo系、Cr-Mn-Si系、Si-Mn-Mo系等，通过对其生产方法进行分析和探讨，可以将其分为铸造截齿材料和锻造截齿材料。截齿材料的碳质量分数一般来说在0.3～0.45之间，其含碳量处于中间位置，按照国家的要求，其截齿的冲击韧性和剪切强度等都应该达到一定的标准。

Cr-Mo系截齿材料典型钢种为42CrMo钢，它的强度较高，同时在高温下有着较为持久的强度，其生产工艺主要是在热处理（840℃油淬+360～400℃回火）后，所得的组织就有着较高的疲劳极限，同时可以抗住多次的高强度冲击，在低温的冲击下依然有较好的韧性[2]。

Cr-Mn-Si系截齿材料典型代表为35CrMnSi，截齿材质的常规热处理工艺为880℃油淬+380～430℃回火，其硬度较强，耐磨性也较好，可以在较复杂的生产环境下进行工作，其截齿寿命是普通材料的1.5倍以上。因此在实际的生产当中，需要做好热处理工作，如果表面机械加工质量不到位的话，就可能会使其造成一定的断裂情况。

3 截齿的制造工艺

3.1 截齿的生产工艺

目前来说，对于截齿的生产工艺主要有两种方法：第一种是通过轧制材料对其进行锻造，形成截齿的毛坯料，结合热处理之后对其头部进行硬质合金焊接，再进行淬火以提升其机械强度，对其硬质合金进行重新加热，以一定的温度强制进行空冷，否则会使得焊缝的质量受到影响。第二种方法是通过铸造的方法来对截齿进行制造，将截齿和硬质合金进行一次铸造，成功之后进行统一热处理，对于大功率的综合开采机来说，采用这种方式，有利于实现零件的一体化，通过生产线来实现截齿的高效生产。

3.2 截齿的表面处理

对于截齿材料表面进行处理有利于提升其寿命，加强耐磨性，目前来说对其进行处理的方法有以下几种：

3.2.1 堆焊硬质合金

根据截齿的实际受力情况来对其进行分析，截齿的最大受力点在其煤层发生直接切割的部位，应当采用堆焊耐磨合金的方法来强化刀头。通过使用有较好耐磨性和较高硬度的堆焊材料来对其进行堆焊，从而能够形成一个抗腐蚀的防护带，有利于其提升使用寿命，加强耐磨特性，堆焊的时候一般要用等离子弧的堆焊材料，这样可以使其应用效果更优，为了使截齿的堆焊修复工作变得简洁，截齿能够反复的使用，一般通过在截齿头部塑造一层耐磨层，可以有效防止其出现脱落，而且成本较低，操作简单，适应于各种环境下的强化工作[3]。

3.2.2 表面热喷涂

通过热喷涂技术来使截齿表面耐磨性能得以提升，如图2所示。热喷涂技术主要是通过热源将需要喷涂的材料覆盖到其表面，然后加热使其融化，形成一定的涂层，热喷涂涂层可以有效增强其强度，提升截齿的使用寿命。一般来说，在截齿材料的头部要喷一层金属陶瓷等材料有利于让其使用寿命提高到原来材料的1.5倍以上。

图2 热喷涂工艺

3.2.3 表面冶金方法

表面冶金技术是通过利用等离子弧来作为热源使得其材料表面能够产生一层较为致密的保护涂层，然后实现截齿表面的融合，如图3所示。等离子熔覆技术有着较好的强化效应，应用等离子束表面对截齿头部进行有效处理，可以形成复合涂层，熔覆涂层和截齿表面的融合，使其具有较高的耐磨性能，使用寿命也得到较大的延长。

图3 表面冶金工艺

3.2.4 化学热处理

化学热处理是对截齿的表面进行渗碳、渗硼、渗铬等化学热处理，通过在截齿表面形成硬度较高的化合物以提升其耐磨性能。渗碳是通过碳原子的吸附和扩散的效能来让截齿表面的硬度大大改善，防止其他化学物质的腐蚀，使得截齿的使用寿命可以在加工过程中得到较大的延伸。

4 结语

对截齿的材料进行有效选取，同时在制造工艺上提升其强度，有利于增强其硬度和耐磨性，对截齿表面进行处理可以有效延长其使用寿命。