（材料学专业论文）等离子束表面冶金耐磨镐型截齿的研究.pdf

山东科技大学硕士学位论文 摘要 本文在大量调研的基础上，发现传统的截齿生产工艺存在很多缺点。本课题的主要 目的在于提供一种即保持截齿齿体、钎焊缝、硬质合金齿尖的强韧性，又能大幅度提高 硬质合金齿尖周边齿体头部表面硬度和抗冲击磨损性能的高效率低成本镐形截齿生产方 法。 对镐型截齿的采煤机理进行了分析，并且利用a n s y s 有限元软件对截齿齿体进行受 力计算，结果表明齿体头部受力最大、磨损最为严重，这是导致截齿失效的重要原因。 本文利用先进的等离子束表面冶金技术，对镐型截齿的生产工艺迸行改进。确定的新型 截齿的最终生产工序如下：齿体下料一锻造一机械加工一齿头表面等离子束表 面冶金耐磨合金防护层一齿体热处理一精修盲孔一冷装硬质合金齿尖表面防 腐处理。 利用等离子束表面冶金技术，获得了与截齿齿体呈冶金结合的冶金层。对冶金层的 组织性能进行了检测和分析，结果表明，冶金层的组织主要为树枝晶组织，在 7 - f e ( c r , w , n b ，a 1 ) 固溶体上弥散分布有合金碳化物( f e ，c r , w , h r o ) 7 c 3 ，这种显维组织硬度较 高，耐磨性较好，能有效保护硬质合金头。 本文利用金属的强韧化原理，对齿体材料进行改进，采用低碳结构钢2 0 c r m n t i ，进 行淬火低温回火后，获得了低碳马氏体组织，具有较好的强度和韧性综合力学性能，适 合于截齿的工作环境。 最后采用过盈配合冷装硬质合金刀头，消除了钎焊所带来的不良影响。 利用上述工艺生产了3 6 把截齿进行井下试验，结果表明等离子束表面冶金技术生产 的耐磨镐型截齿寿命比普通国产截齿有较大提高，已超过进口截齿，具有广阔的市场前 景。 关键词：镐型截齿，等离子柬表面冶金，热处理，组织与性能 山东科技大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t o nb a s eo fas e r i e so fi n v e s t i g a t i o na n ds t u d y , m a n yd e f a u l t sh a v eb e e nf o u n di n t r a d i t i o n a lp r o c e s so fp i c k s a i mo ft h es u b j e c ti st oo f f e rp r o d u c t i o nm e t h o do f p i c k sw h i c h c a l ln o to n l yh o l ds t r e n g t ha n dd u c t i l i t yo fs o l d e rj o i n t , p i c ka n dc a r b i d et i p ，b u ta l s oi m p r o v e h a r d n e s sa n dw e a r - r e s i s t a n c ea h u dc a r b i d et i pe f f e c t i v e l y c o a lc u t t i n gm e c h a n i s mo fp i c k sh a sb e e na n a l y z e da n dt h es t r e s so fp i c kh a sa l s ob e e n c a l c u l a t e dm a k i n g 啪o f a n s y s r e s u l t ss h o wt h a tt h es t r e s si st h eb i g g e s ta n dd e g r e eo f w e a r i st h eh e a v i e s tn e a rp i c ki l e a d w h i c hl e a d st oi n a c t i v a t i o n w em a k eu s eo f p l a s m a - j e ts u r f a c e m e t a l l u r g yt oi m p r o v ep r o c e s so fp i c k s n e wp r o c e s sh a sb e e nm a d e 船f o l l o w i n g ：b a l t i n g f o r g i n g - - m a c h i n i n g p l a s m a - j e ts u r f a c em e t a l l u r g y h e a tt r e a t m e n t f i n i s h i n gb l i n dl l o l e + c o l d - c h a r g i n gc a r b i d et i p - - - a n t i s e p t i ct r e a t m e n t f e - b a s e da l l o yc o a t i n gh a sb e e no b t a i n e dw h i c hi sb o n d e dw i t hs u b s t r a t em e t a l l u r g i c a l l y 1 m c m s 虮l c n i r ea n dp e r f o r m a n c eh a v eb e e nt e s t e da n da n a l y z e d r e s u l t ss h o wt h a t ( f e ，c r , w , n b ) t c 3i sd i s p e r s i n gi nr ：f e ( c r , w j 、r o ，a 1 ) t h ec h a r a c t e r i s t i co f t h em i c r o s t m c t l l r ei s t h a ti t sh a r d n e s si sh i g h e ra n di t sw e a r - r e s i s t a n c ei sb e t t e r , w h i c hc a np r o t e c tc a r b i d e 卸f r o m a b s c i s s i o ne f f e c t i v e l y a c c o r d i n gt op r i n c i p l eo fs t r e n g t h e n i n ga n dt o u g h e n i n go fm e t a l ，m a t e r i a lo fp i c k sh a s b e e ni m p r o v e dw h i c hu s e2 0 c r m n t i a f t e rh e a tt r e a t m e n tl a t hm a r t e n s i t ei so b t a i n e dw h i c h o w n sh i g h e rs t r e n g t ha n dt o u g h n e s s t h i sk i n do fm a t e r i a lc a na d a p tt ow o r k i n gc o n d i t i o no f p i c k s c o a lc h a r g i n gc a r b i d e 邱c a ne r a s eh a r m f u le 彘c t so f b r a z ew e l d i n g 3 6p i c k sh a v eb e e nm a d ea c c o r d i n ga b o v ep r o c e s st ot e s tu n d e rw e l l r e s u l t ss h o wt h a t l o n g e v i t yo fp i c k si m p r o v e sl a r g e l y p i c k sp r o d u c e db yn e wp r o c e s sw i l l 帆l a r g em a r k e t k 吖w o r d s ：c o n i c a lp i c k s ，p l a s m a - j e ts u r f a c em e t a l l u r g y , h e a tt r e a t m c 咄m i c r o s t m c t u r ea n d p e r f o r m a n c e 山东科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题提出 煤炭是我国能源的主体，煤炭工业增加产量、提高劳动生产效率的一项关键性技术 是采掘机械化。最常用的采掘机械是螺旋滚筒式采煤机，其所用的采煤刀具称为截齿， 它是综采机组上直接切割煤岩的关键性零件，采煤机的绝大部分装机功率是由它来消耗 的。截齿是需经常更换的易损零件，对吨煤成本有一定影响，所以提高截齿质量，改善 截齿使用性能，对于提高采煤机的工作效率和降低生产成本有重要意义。 截齿基本上分两大类：刀型截齿( 又称为径向截齿) 与镐型截齿( 又称为切向截齿) ， 我们的研究对象主要针对目前国内用的最多的镐型截齿。现在，国内、国外均是以镶嵌 硬质合金为主，即以钎焊方式将锻造出的齿体与硬质合金齿尖连接为一体。 截齿是直接截煤或岩石的，它受到煤和岩石的磨粒磨损及冲击，因此，对截齿的基 本要求是【1 】：( 1 ) 高耐磨性。截割含坚硬夹杂物的煤层所用的截齿应有较高的耐磨性和 强度：( 2 ) 较好的强韧性。当遇到夹矸及断层时不仅要求耐磨性要好而且还要求其能承 受一定的冲击，即齿体要具有较好的强韧性以防止弯曲变形及断裂，齿尖具有一定的韧 性以防止崩刃：( 3 ) 切削参数的稳定性。截齿的切削形状要能适应不同的煤质和截割条 件，并保证其切割寿命内的切削参数的稳定性。另外，截齿还必须达到：降低能耗，减 少煤粉和粉尘，获得合理块度的商品煤，降低工作机构传动装置的动载荷，保证机器最 大生产率。显然对截齿的质量要求是比较高的。 根据对截齿的基本要求，齿体材料采用具有良好锻造性能的优质合金结构钢，如 4 0 c r n i m o 、4 2 c r m o 、3 5 c r m n s i ，我国截齿钢材普遍采用3 5 c r m n s i 。从发展角度看，对 齿体材料不作硬性规定是合适的。仅要求齿体钢材的机械性能和化学成分应符合 ( g b 3 0 7 7 8 2 ) 规定，热处理后的硬度达到h r c 4 0 4 5 。硬质合金的推荐牌号有y g l l c 、 y g l 3 c 、y g 8 c ，硬质合金制品的物理力学性能和组织结构应符合y b 8 4 9 的规定。根据 我国煤田地质情况，对硬质合金既要求具有一定的硬度，耐磨，又要求具有韧性，抗冲 击。因此选用y g l l c 或y g l 3 c ，它们比y g s c 的韧性更高，耐磨性更好。齿尖钎焊料 多采用1 0 5 # 铜基钎料。 随着采煤技术的迅速发展，对截齿的质量要求越来越高，因此国内外的截齿厂家一 山东科技大学硕士学位论文 直致力于寻求提高截齿质量的新途径。 1 1 1 国外截齿工艺发展简介 硬质合金截齿早在5 0 年代初国外就已开始使用，1 9 6 3 年许多国家颁布了截齿质量 标准，使截齿生产标准化、系列化。国外生产截齿的主要国家有俄罗斯、德国、美国、 英国等。俄罗斯的齿体材料一般采用优质合金钢，相当于我国的3 5 c r m n s i a 、 1 8 c r 2 n i 4 w a 、4 5 c r n i m o 或4 0 c r 等；英国齿体材料采用b s 9 1 7 m 4 0 ( e n 2 4 ) 相当于我 国钢号4 2 c r n i m o ，b s 7 0 9 m 4 0 ( e n l 9 ) 相当于4 2 c r m n m o 。美国的主要截齿生产厂家是 凯南麦特( k e r m a m e t a l ) 。 截齿齿体均是锻造出来，且俄罗斯采用程控压力机，并有自动检查装置和机械手， 精锻采用感应半加热( 8 0 0 8 5 0 0 ) 对提高锻件的精度和表面光洁度有好处，是比较先 进的工艺。 钎焊普遍采用感应加热，俄罗斯采用高频，德国、英国采用中频加热，加热时间长 达5 分钟。俄罗斯采用铜焊料，液相温度为9 5 5 ，而德、英采用铜、银、锌、镉、镍 合金，熔点为6 3 0 6 8 0 0 。不同的焊料使齿体的加热温度相差很大，因此德、英是先将 齿体淬火后再钎焊，再在空气中冷却，而俄罗斯则必须在钎焊后等温淬火。显然俄罗斯 的工艺对硬质合金质量总是有一定程度的影响，相反德、英的工艺对硬质合金的质量影 响较小。 因此俄罗斯在钎焊后还要求对硬质合金强化处理，一般采用金刚石砂轮磨削及采用 在硬质合金表面喷丸处理( 丸为小颗粒的硬质合金) ，以消除硬质合金在钎焊时产生的拉 伸应力。 澳大利亚的p m t e ot 业有限公司研究出一种d u r a t e c h 装置，能延长截齿寿命提高截 割效率，此装置处理方法是将碳化钨颗粒中加入金属元素，放入低碳钢或合金钢的熔池 中，由全部程序化机器人控制的m i g 脉冲焊机加复耐磨涂层，使用并不昂贵的基底材料， 不用多厚即可得到一定的综合强度。d t a _ a t e e h 焊复具有很强的抗磨性，但需要一种控制 d u r a t e e h 装置机器人来实现这一工艺。英国成功地进行了金刚石截齿的研究与试验，每 个截齿有一个用金刚石片状毛坯构成的切割刃，这块毛坯是一层多晶人造金刚石与钨基 硬质合金在高温高压下结合在一起的。研究认为这种截齿的磨损是理想的，适合于大型 的滚筒采煤机和掘进机脚，但金剐石价格昂贵。截齿切割硬岩时，传统的钨硬质合金刀 头干式切割硬岩，刀头磨损严重，岩尘大。美国进行了多晶复合金剐石刀头切割硬岩效 2 些查登茎查兰堡主兰丝兰苎堕丝 率的评估。多晶复合金刚石的抗磨损性能是硬质合金的3 0 0 倍，是一种理想的切割工具， 多晶复合金刚石刀片由一o 2 5 1 0 2 r a m 薄层的多晶金刚石组成，在超高温下热压结在 一个钨硬质合金的基片上。多晶复合金刚石薄层具有高耐磨性的同时，对高温非常敏感： 多晶复合金刚石层中金属钴的存在对金刚石刀头向石墨转化起催化作用，因此多晶复合 金刚石在使用时温度不能超过7 0 c ，故刀头应配以水射流辅助系统。试验表明，该技术 具有很大的潜力，多晶金剐石刀头的费用是传统硬质合金刀头的l o 倍，但其概率寿命要 长8 0 倍。该技术仍需解决的问题是：高压水射流有可能使开切面的切削物反弹向机器操 作者，同时提高水压又会产生一个问题，即水雾影响操作者的能见度。 1 1 2 国内截齿发展概况 一般的硬质合金截齿生产工艺过程是锻造后进行机加工。钎焊后再修形及涂油保护。 就我国截齿工艺发展过程来说，最初制造工艺是：锻造一不完全退火( 球化退火) 一机 加工一热处理( 调质) 一酸洗除锈一钎焊硬质合金一磨齿一涂油保护，这种工艺是先调 质而后进行钎焊，焊后不进行任何处理【3 】。基体因退火致使距齿尖3 0 r a m 内硬度下降到 h r c 2 0 以下，并出现粗大魏氏体组织甚至产生过烧组织 4 1 ，导致其综合机械性能大幅度 下降，工作时，由于两侧刃面因硬度过低而迅速磨损失效，使硬质合金过早脱落，严重 影响了截齿的质量及使用寿命，因而是一种不合理工艺。为了提高截齿工作部分硬度， 提高其抗弯性能，结合我国截齿生产的特点，有关部门提出了全面改革生产工艺的方案： 齿体下料一锻造一机械加工一钎焊硬质合金齿尖一截齿整体调质热处理或盐 浴等温淬火一表面防腐处理。截齿整体调质热处理或盐浴等温淬火是提高齿体强韧性 与齿体头部表面耐磨性能的必要步骤【5 1 。但是调质热处理( 即淬火加高温回火) 及盐浴 等温淬火过程中的加热和冷却，会在钎焊缝及硬质合金中产生显微裂纹，损害截齿使用 寿命。钎焊过程对齿体头部的剧烈加热，也会引发硬质合金内部裂纹增生，并导致齿体 头部产生过热组织【6 7 1 j 另外，截齿整体调质热处理或等温淬火对提高包覆硬质合金的 齿体头部表面的耐磨性十分有限，因此在使用过程中齿体头部表面早期磨损，使硬质合 金过早暴露出来并脱落，导致了截齿的急剧磨损破坏。因此，围绕硬质合金周边齿体头 部表面的耐磨性问题，人仍又展了大量的工作，申报的相关专利如下所述。申请号为 8 9 1 0 1 2 8 5 0 的专利“高硬耐磨涂层截齿及工艺”中，论述了在齿体头部喷焊一层高硬度 耐磨合金的方法。该方法对表面前处理要求严格，而且在喷焊时不能对齿头进行冷却， 否则潮湿的表面严重影响涂层结合力，喷焊时合金粉末散失严重成本高，喷焊层与基体 生奎型垫查兰婴主兰些丝苎堕丝 主要是机械嵌合，难以承受高冲击负荷。申请号为9 8 1 1 0 5 8 9 0 的专利“采煤机用截齿及 工艺”中，论述了在齿体表面渗碳、碳氮共渗或喷镀提高齿体耐磨性的方法。申请号为 9 8 2 4 3 5 8 5 1 的专利“采煤机用镐型截齿”中，论述了利用上述专利方法生产的一种镐型 截齿。该方法中喷镀缺陷如前面所述的喷焊，而渗碳或碳氨共渗加热时的高温会丧失掉 齿体调质的强韧化效果，钎焊加热又会丧失掉齿头渗碳或碳氮共渗的硬化效果，如果最 终为渗碳或碳氮共渗，则又削弱了钎焊缝与硬质合金的强度。 1 1 3 钎焊硬质合金截齿改进的必然性与可行性 尽管采取了种种措施，但是目前使用的截齿仍不够理想，究其原因，主要的失效形 式如硬质合金刀头脱落、齿尖崩刃等现象都与热处理和钎焊有关。现行所有的改进措施 并没有从根本上涉及长期以来导致截齿发生上述现象的原因，即钎焊硬质合金刀头的问 题。具体地说钎焊硬质合金的不足有； ( 1 ) 目前所有的钎料都不能同时很好地保证强度、塑性、润湿性和耐热性： ( 2 ) 不能有效地保证焊缝间隙。间隙偏小时，钎料填满钎缝困难，间隙内气体钎剂 残渣难以排出，在焊缝内造成未焊透、有气孔或夹渣等缺陷：间隙偏高时，毛细管作用 减弱，使钎料不能填满间隙，母材对填缝钎料的合金化作用消失，且钎焊缝结晶产生柱 状铸造组织，使母材钎焊缝合金的支撑作用减弱，从而造成接头强度降低； ( 3 ) 加热时间及温度控制不当对钎焊强度有影响。时间短或温度低时，液态钎料流 动性差高温停留时间短，钎缝内气泡、去膜产物上升时间短，速度慢，所以夹渣、气孔 多，钎透率低，接头强度低；加热时间过长或温度过高，钎料低熔点成分挥发多，钎料 性能变坏，严重加热时钎料大量挥发，已失去钎焊意义； ( 4 ) 钎焊对硬质合金刀头有影响。钎焊时硬质合金温度达到1 0 0 0 左右甚至温度 更高，无论焊后直接淬火冷却还是冷却后再加热淬火，由于硬质合金导熟性差，且合金 中的钴与碳化钨的热膨胀系数相差较大，致使硬质合金( 尤其是两次加热后的硬质合金) 在激热激冷中产生很大内应力而影响硬质合金质量，严重时造成硬质合金龟裂； ( 5 ) 钎焊后随冷却速度增加，钎缝的抗剪强度呈下降趋势。截齿钎焊是将硬质合金 钎焊到低合金钢母材上。两种不同材质钎焊，在加热和冷却的过程中，由于两种合金的 膨胀系数相差一倍，无论焊后是再加热等温淬火还是直接等温淬火，其冷却速度都较大， 都会使钎焊焊料产生b 脆性相的量增多1 9 1 ，使钎焊合金、硬质合金、母材之间产生拉应 力，并且随冷却速度增大，拉应力增加【1 0 1 。当这个应力超过钎焊强度时，钎焊缝就会出 4 生查登垫查堂堡主兰些堡苎堕丝 现焊接裂纹，使焊缝的抗剪强度大大降低； ( 6 ) 由于受钎焊料及硬质合金的制约而采用的等温淬火的工艺不能充分发挥齿体高 强度钢的优势。不仅因为淬火加热温度不能超过8 9 7 ( 2 ，而且等温淬火的冷却速度低， 淬透层深度小，使心部不能完全得到下贝氏体而降低盐浴淬火温度即增大淬火时的冷却 速度，则会使合金刀头焊缝的质量降低的更多，可以说它们之间是相互矛盾的。另外等 温淬火工艺复杂，在实际生产中操作困难； ( 7 ) 此外，虽然硬质合金本身硬度高，耐磨性能好，但经淬火后韧性变差，当遇到 硬的夹杂物而受到冲击，经常出现刀头崩刃现象。 综上所述，目前尚未有一种既保持齿体、钎焊缝、硬质合金齿尖的强韧性，又能大 幅度提高硬质合金齿尖周边齿头表面耐磨性的简便可靠的生产方法。 为了提高我国煤炭行业的产量，降低生产成本，我们考虑能否从根本上解决以上问 题。我们在进行充分调研及大量文献阅读的过程中发现，随着新材料新技术的迅速发展， 现在国内外都在积极开发和应用涂层工具，可以说是迎来了涂层工具的全盛时期，例如 涂层硬质合金刀具问世之后便显示出其旺盛的生命力，在切削加工中得到广泛的应用， 工业发达国家的硬质合金刀具已有4 0 以上采用了涂层【i “，因此有人称涂层方法是刀具 领域兴起的第二次“革命性变革”。 正是在这种背景下，我们的思维开始冲破传统思想的束缚，设想能够提供一种即保 持截齿齿体、钎焊缝、硬质合金齿尖的强韧性，又能大幅度提高硬质合金齿尖周边齿体 头部表面硬度和抗冲击磨损性能的高效率低成本镐形截齿生产方法。其基本思路如下： 根据截齿受力情况，按应力分布特征，在齿头表面离子束表面冶金耐磨合金层，并且采 用冷装硬质合金齿尖。这种方法从设计思想来讲是符合截煤理论的，因此设计和实验一 种适当的经济有效的等离子柬表面冶金层截齿工艺，便成为本课题的一个主要任务。 1 2 国内外表面技术现状 材料表面处理技术是利用物理的、化学的或机械的工艺方法使材料表面获得特殊的 成分、组织结构与性能，以提高其耐磨抗蚀性能，延长其使用寿命 1 2 1 。表面处理技术又 可分为表面改性技术( 包括薄膜) 技术与表面涂层技术。 1 2 1 表面改性技术 生奎型垫查兰堡主兰垡丝壅 竺丝 它是通过改变基体表面成分、组织来提高或改变表面性能的技术，能显著提高表面 某一方面或某几方面的性能，故又称为表面强化技术。常用的有： 1 1 2 1 1 化学热处理 渗碳、渗氮口们、渗 t 3 1 - 3 2 、渗铬 3 3 1 等扩散技术，这种工艺多用于强化钢材表面，提 高零件的耐性能。如渗碳是使工件在热处理后表面具有较高硬度和耐磨性，而心部仍保 持一定强度及较高的塑性和韧性。上述工艺缺点为工艺过程较长，生产率低。 1 2 1 2 气相沉积技术 目前，气相沉积硬质镀层t i n 已被广泛用于提高耐磨工磨具的寿命，具有很大的经 济效益和广阔的发展前景p 钔。然而沉积理论落后于沉积技术的现象已在很大程度上影响 了此项技术的进一步发展。c v d 在铸铁表面得到粘结很好的t i n 镀层，在工模具表面也 得到致密、光滑、粘结力良好的t i n 。但其主要缺点是沉积温度( 8 5 0 , - - 9 0 0 。c ) 高p 5 1 ， 超过了许多工模具的常规热处理温度，因此镀覆之后还需进行二次热处理，不仅引起基 材的变形与开裂，也使涂层的性能下降。p v d 相对来说温度低得多，于是物理气相沉积 硬膜技术得至迅速发展【3 6 j 7 1 。但其应用范围不大，涂层品种少，结合力差，易脱落等。 1 2 1 _ 3 离子注入 离子注入是把某种元素的原子电离成离子，并使其在几十至几百千伏的电压下进行 加速，在获得较高速度后射入置于真空靶室中的工件表面的一种离子束技术。可根据需 要选择要注入的元素，并根据工艺条件控制注入元素的浓度分布和注入深度形成所需要 的平衡合金、高度过饱和固溶体、亚稳态合金及化合物、非晶态，或难以用通常方法获 得新的相及化合物口o l 。由于形成的改性表面不受热力学条件的限制( 相平衡、固溶度) ， 所以具有独特的优点。 总的来说，表面改性技术( 包括薄膜) 技术直接用于改善截齿齿体材料的齿头部的 性能是不适当的。 1 2 1 表面涂层技术 也叫表面覆盖层技术或厚膜技术，它是通过把一种新的材料沉积在零件表面上形成 涂层( 膜层) 的技术。常用的表面耐磨涂层技术有： 1 2 2 1 复合镀技术 包括电镀、电刷镀、化学镀等。在一定条件下通过复合电镀可获得高硬度、高耐磨 的涂层，但涂层对刃口、冲击载荷比较敏感，即涂层的抗冲击性能较差：并且复合电镀 6 坐查型垫查兰堡主兰竺堡苎笙堡 工艺复杂，且非工作面的防镀都给大规模工业应用带来一定程度的影响；复合电刷镀具 有设备简单、工艺操作方便、沉积速度快等特点，但它不适于厚镀层，也难于批量生产， 且对硬质相的粒度有一定限锖d v 3 1 ；化学复合镀的镀层有一定的耐磨性，但很脆，在高载 荷及冲击作用下不能应用1 1 4 1 。 1 2 2 2 热喷涂技术 分为火焰喷涂、等离子喷涂嗍、爆炸喷涂、超音速喷涂、电弧喷涂等。热喷涂是将 诸如金属、合金、陶瓷、金属陶瓷或塑料之类的高性能材料喷涂到容易加工和较经济的 基材上。由这些材料制成的粉末或细丝被送至电或燃烧加热的枪中，它们在此熔化后高 速喷涂于基材表面上形成涂层，典型的涂层厚度为0 1 o 2 m m 。此技术已在航天、航空 及一些民用工业上获得了成功，且此技术应用的广度和深度还在继续发展。热喷涂中使 用的热源不与基材发生直接作用，涂层与基材之间大都是机械嵌台或微区域的扩散结合 状态【1 6 】。此技术对基材品种无选择，但却要求十分严格的表面预处理，否则很难保证涂 层与基材之间的良好结合。 氧一乙炔火焰喷涂一般用于低熔点材料的防腐涂层，作为高熔点材料的耐磨涂层是 不适宜的。等离子喷涂涂层的结合力优于火焰喷涂，但经过实验发现，若要充分发挥涂 层材料的性能，必须进行严格的前处理，被喷涂表面与等离子炬喷嘴的距离、法线夹角 等需要严格控制，这对于呈锥面的截齿刀头来说无疑是比较困难的，而且当等离子束流 外焰粉末先行附着于外侧表面上时，会严重影响后继涂层的结合力。 爆炸喷涂又称气体爆炸喷涂，其基本原理是利用可燃气体爆炸产生的冲击能量，将 待涂覆的粉末颗粒加速加热，轰击到基体表面，形成涂层【m 。这种涂层具有致密性好、 孔隙率低、结合强度好等优点，并广泛应用于航空、冶金、机械等行业。 8 0 年代初又发展起来一项新的熟喷涂技术超音速火焰喷涂。它的出现，使之有可能 在材料领域中获得优质的耐磨、耐蚀涂层，其性能超过了等离子喷涂，而与爆炸喷涂的 性能相当。它是工作气体在燃烧室内连续燃烧后，优于温度的提高体积膨胀，使枪室压 力迸一步提高，燃气便以高速从喷嘴射出，形成一股可达1 5 0 0 m s 的高温高速射流( 。 2 8 0 0 ( 2 ) f i 叼。被喷涂的粉末用氮气或氩气作载气轴向引入喷枪，粉末被迅速加热到熔融 状态并以高速射出，撞击到基体上形成高质量涂层。这种涂层已经成功应用于w c c o 、 t r i b a l o y 合金、s t e u i t e 合金、h a s t e l l o y 合金等高质量涂层。超音速火焰喷涂随后激光或 等离子熔融处理可强化热喷涂涂层，使涂层承受冲击载荷，同时具有好的耐磨蚀和耐剥 蚀性。 ， 坐奎型茎查堂堡主兰竺丝塞堕堡 1 2 2 3 堆焊技术 堆焊是借用焊接的手段对金属材料的表面进行厚膜改质，即在零件上堆敷层或几 层具有希望的性能的材料。这些材料可以是合金，也可以是金属陶瓷，他们可以具有原 机件不具有的性能，如高的耐磨性，良好的耐蚀性或其他性能【1 9 1 。就其物理本质和冶金 性能而言，具有焊接的一般规律，但也有自身的特性 2 0 i ： ( 1 ) 堆焊的目的是用于表面改质。 ( 2 ) 与整个机件相比，堆焊是很薄的一层。 ( 3 ) 要保证堆焊层自身的高性能，要求尽可能低的稀释率。 ( 4 ) 堆焊用于强化某些表面，因而希望焊层尽可能平整而均匀。这要求堆焊材料与基 体应有尽可能好的润湿性和尽可能好的流平性。 其优点表现在设备简单，成本低，操作比较灵活，能适应全方位的堆焊。其缺点是 放电斑点凹凸不平，有跳动，无定向性，堆焊后组织成分极不均匀，呈鱼鳞状，易出现 夹杂、过烧、烧不透等缺陷，生产效率低，稀释率高，浪费合金元素。此外，堆焊过程 中产生大量的烟尘，劳动条件差。在腐蚀环境下易产生微电池，形成化学腐蚀。特别对 精密件，表面加工成本很高。 i 2 2 4 激光熔覆技术 金属表面激光熔覆技术就是利用高功率密度的激光快速熔化预涂在金属材料基体上 粉末，发挥激光柬加热和冷却速度极快的特点在基体材料表面熔覆一层均匀致密、结合 牢固，而且稀释度低的特殊保护涂层，实现涂层与金属基体的冶金结合，从而使金属表 面具有非常高的耐磨、耐蚀、抗高温氧化等性能d 他5 1 。 激光熔覆技术的特点与传统的表面涂层技术如堆焊、镀层、喷涂和气相沉积相比较， 激光熔覆技术有如下的特点： ( 1 ) 可以通过混合不同的合金粉末进行成分设计，得到完全致密的冶金结合涂层。 ( 2 ) 涂层的稀释度可以降低到最低限度，从而得到所设计的表面性能。 ( 3 ) 激光熔覆加热和冷却速度极快，凝固速度约1 0 4 c s ，易获得涂层组织结构的改 善( 如产生新性能的组织结构，包括非稳相、超硬弥散相及非晶等) 。 ( 4 ) 局部表层区域的快速凝固对基体或被涂工件的热影响甚微，易实现选区涂层。 ( 5 ) 熔覆涂层与基体的结合得到改善，界面为冶金结合。 ( 6 ) 涂层成分、厚度可控，工艺过程易实现自动化。激光熔覆技术一方面可以在廉价 金属基体上形成高性能表面，从而节约了大量的贵重稀有金属材料，降低能源消耗；另 8 山东科技大学硕士学位论文 堕丝 且所得的涂层均匀致密、质量好。因 一方面，工艺简便、加工周期短易于实现自动化， 此，无论是从提高涂层质量，还是从简化工艺流程、提高工艺先进性、降低生产成本、 提高经济效益和社会效益上考虑，这一技术都具有强大的生命力和竞争力。 激光熔覆有如下缺点： ( 1 ) 国产激光器质量较差，尤其是数千瓦的大功率激光器，目前仍不过关，小于一千 瓦的小功率激光器用于批量工业化表面处理生产，效率低，为提高生产效率，只能减小 硬化面积比例； ( 2 ) 激光器的光点热转换效率低，能量利用率低，一般为5 ； ( 3 ) 激光设备投资大、维护费用高、使用成本高。 1 2 2 5 等离子束表面冶金技术 等离子束表面冶金技术是以等离子弧为热源，采用同步送粉方式，在基体材料表面 获得一层均匀致密、结合牢固的特殊保护涂层，实现涂层与金属基体的冶金结合，从而 使金属表面具有非常高的耐磨、耐蚀、抗高温氧化等性能口6 2 7 1 。其技术原理为：在按照 程序轨迹运行的d c p l a s m a - j e t 等离子束流的高温下，金属零件表面快速依次形成与弧 斑直径尺寸相近的熔池，将合金或陶瓷粉末同步送入弧柱或熔池中，粉末经快速加热， 呈熔化或半熔化状态与熔池金属混合扩散反应，随着等离子弧柱的移动，合金熔池迅速 凝固，形成与基体呈冶金结合的涂层跚。 等离子束表面冶金技术的特点是1 2 9 ： ( 1 ) 冶金层成形平整光滑尺寸可得到较精确的控制。一次表面冶金可控制宽度 3 , - - 4 0 r a m ，厚度0 2 5 8 m m ，这是其他堆焊法难以实现的。 ( 2 ) 冶金层稀释率低可控制在5 以下。 ( 3 ) 冶金层成分和组织均匀 ( 4 ) 等离子弧温度高可进行各种材料的表面冶金，尤其是适用于难熔材料的表面冶 金。 ( 5 ) 工艺稳定性好，易于实现等离子柬表面冶金过程的自动化。 上述几种常用的表面处理技术的优缺点比较见表1 1 。 9 山东科技大学硕士学位论文 绪论 表i1 等离子束表面冶金与耐磨堆焊、撒光熔覆的主要经济技术指标对比 t a b l e l 1 e c o n o m i c t e c h n i c a l n o f m sa m o n gs u r f a c e m e t a l l u r g yb y 、相城技术 等离子束表面冶金辙光柬熔疆耐磨堆焊 帮带 持层内在质量 均匀致峦，无烧蚀均匀敢密，有烧蚀不均匀，烧蚀严重 涂层衰观质量平整平整 粗糙 涂层效率高 低 较高 诛层材料消耗低低高 设备辅出功率大 小 大 能量转换效串离低高 设备造价较低高低 操作环境 一般机械车问专用车间室内或室外 维护成本低高 低 应用范圈备工业领域高附加值领域粗糙耐磨件 发展前景很丈大 一般 现存主要问题功率密度的精确控制功率低，效率低自由弧冲莰率难控制 解抉逢径进一步改进等离子炬研制大功率高效激光器本质上难以解决 综上所述，等离子束表面冶金层的抗冲击性能较好，从技术及经济角度考虑，等离 子束表面冶金技术对截齿的适用性较强。选择等离子柬表面冶金技术作为本课题涂层技 术的主要原因如下： ( 1 ) 冶金结合。园形成熔池，就有如焊接般的牢固结合。特别在耐磨性方面有喷涂难 以匹配的优越性能，极不容易剥离。该技术所获得的高强度和高硬度是等离子喷涂无法 比拟的。 ( 2 ) 生产效率高。它的组件极容易实现自动化，机械控制，速度可以调节。这对于产 业化的应用有着光明的前景。 ( 3 ) 涂层质量优良，能获得较商的表面光洁度。能得到近激光熔覆的质量而低于激光 熔覆的成本。合金烧损少，特别是某些精密件能显著地提高表面加工成本，这是手工堆 焊所远远不及的。 ( 4 ) 无预处理。这就大大地降低了预处理的成本，省去不必要的表面清理工作，从而 也获得高的生产效率。 1 3 研究等离子束表面冶金截齿的意义 根据截齿受力情况，按照应力分布特征，在截齿齿体的齿头部受力较集中，磨损较 根据截齿受力情况，按照应力分布特征，在截齿齿体的齿头部受力较集中，磨损较 1 0 些查型垫查兰堡圭堂垡丝壅堕堡 严重的地方，采用等离子束表面冶金技术，获得厚度、成分组织与性能均匀一致的合金 硬化层，与冶金层底部的低碳马氏体硬化层一起，提高了对硬质合金的包覆支撑力，大 幅度提高了齿头表面的耐磨性，有效地保护了磋质合金，也进一步提高了齿头的抗弯强 度。由于以冷装代替钎焊，消除了钎焊料和钎焊缝，提高了工效，降低了成本，消除了 钎焊热影响。而且采用低碳低合金结构钢2 0 c r m n t i 作为齿体材料，比传统应用的中碳 超高强度合金钢锻造温度区间宽，不易锻裂，提高了锻造效率和成品率，并且对齿体单 独进行热处理，不会对硬质合金质量产生影响，且获得的低碳板条状马氏体具备高强度 和高韧性，有效发挥了低碳低合金结构钢的性能潜力，节约了成本。 这种工艺有可能在采煤领域获得成功，不仅提高生产效率，增加煤炭行业的产量， 而且降低吨煤消耗成本，具有巨大的经济和社会效益。 为了使截齿的设计具有理论依据，还有必要对截煤理论和截齿的受力进行分析。 山东科技大学硕士学位论文镐型截齿截煤理论及力学分析 2 镐型截齿截煤理论及力学分析 煤和岩石是采掘机械化的对象，它们的物理机械性质对采掘机械的载荷有直接影响， 因此了解煤炭的一些机械物理性质、截煤理论以及截齿的受力状况，对于等离子束表面 冶金层的设计以及热处理工艺的确定具有重要意义。 2 1 煤岩的主要物理机械性质简介 煤炭的物理机械性质是指煤体受到机械施加的外力时所表现的性质和所表现出的抵 抗外力的能力。煤体的物理机械性质主要是指：强度、硬度、接触强度、摩擦和磨蚀性、 弹性与塑性、蠕变与松弛等。 ( 1 ) 强度 煤体在一定条件下受力作用开始破坏时所具有的极限应力值。煤体材料的强度用不 同的测定方法可以得到抗压强度万y 、抗剪强度吒和抗拉强度万l 。这三种强度在数值上 大约有如下关系： j v ：6 j ：占l = l ：0 3 ：0 1 不同地区、不同矿区的煤岩材料强度不同。影响煤岩体材料强度的因素很多，如： 煤岩材料的不均匀性和不单一性； 煤岩体内的不同构造特性，如：层理、节理、断裂和裂缝、裂缝密度、裂缝倾角 以及裂缝填充材料等。 ( 2 ) 硬度 煤体硬度表示在较小的局部表面积上抵抗外力作用而不破坏的能力。可以用布氏硬 度计、洛氏硬度计或肖氏硬度计来测定煤体的硬度。 ( 3 ) 接触强度 硬度，由于其测定方法所限，只代表煤岩体测定部位的个别颗粒或颗粒间粘结物的 硬度。为了能够在宏观上表现岩石材料的表面强度，采用接触强度这一概念。 接触强度可按几次实验测压头上的载荷值p i 与压头下的表面积s 之比来计算： 只 最= l 行j 1 2 些查型茎查兰堡圭兰皇丝苎堡型墨塑墼堡堡笙墨查堂坌堑 式中：p k 一一岩石材料接触强度，m p a ； 只一岩石材料脆性破坏的瞬间压头的载荷； 一一一压头下压次数； s 一一压头下的表面积。 ( 4 ) 摩擦和磨蚀性 金属零部件或硬质合金在煤体表面运动时，要受到摩擦阻力作用，这种金属与非金 属间的摩擦作用将引起如下结果： 如果金属零部件是运动主体，将消耗有用功； 使金属零部件表面或合金受到磨损，表面形状改变，增加截割阻力； 使金属零部件表面或硬质合金发热，使其硬度降低，加剧磨损。 煤体对金属或硬质合金的摩擦作用大小用摩擦系数表示，通过专门实验可以测定 值。卢值大小因金属或硬质合金以及煤岩种类而异，也因作相对运动的两者之间压力大 小和相对运动速度大小而异。 磨蚀性( 研磨性) ：煤岩对金属、硬质合金或其它固体磨蚀的能力。表征煤岩磨蚀性 的方法很多，可以用标准金属试件在一定压力下与被测煤岩材料接触，并作相对移动。 设压力为p ( k g ) ，摩擦路程为上( m ) ，金属试件被磨蚀掉的体积为4r c m 3 】，则磨蚀系 数为：甜= 4 v p ) ( i , 。 ( 5 ) 弹性、塑性与脆性 煤体的弹性、塑性与脆性是反映煤炭受外力作用与其变形之间关系的性质。 弹性：当作用于煤体的外力消失后，煤体的交形也完全消失，称煤的这种能恢复其 原来形状和体积的性能为弹性。破碎弹性较高的煤体，消耗的能量也较高，破碎也显得 困难。 塑性：当作用于煤体的外力除去后，其形状和体积不能得到恢复。破碎塑性高的煤 体也要多消耗能量。 脆性：当作用于煤体上的外力除去后，煤体无残余变形，当煤在外力作用下破碎时， 其变形也较小，这种性质称为脆性。脆性好的煤体容易破碎。 ( 6 ) 煤炭的坚固性 煤岩的坚固性是反映煤岩抵抗外力破碎能力的一个综合指标，它不同予煤岩的任何 一个构造特性和物理机械性能，但它又与煤岩的这些特性息息相关。 ( 7 ) 煤炭的抗截割强度 1 3 些查登垫查堂堡主兰垡堡苎 塑型萱塑垦堡堡丝墨塑兰坌塑 在设计采煤机时，人们首先应该确定刀具上的截割阻力，然后计算工作机构所需的 截割功率。从大量的实践中人们发现这样的规律：对一种煤岩而言，用结构参数固定的 截齿截割，单位截割深度的截割阻力大体为常数：而对于不同矿区甚至不同煤层的工作 面。用同一刀具进行截割，测定单位截割深度的截割阻力是不同的。 2 。2 镐型截齿截煤机理 煤的切削过程是采煤机的一个主要过程，截割时产生的截割力是决定截割质量的重 要参数。但目前对于这个重要参数尚无科学的、可靠的计算方法，要改进截齿的性能， 必须要研究煤炭切削过程，提高切削效益和切削质量。 近代破断理论大体分为两类，一类是韧性破断强度理论，一类是脆性破断强度理论。 前者认为，破断是在材料产生很大塑性变形后发生的，是剪切滑移破坏的，主要应用于 塑性比较太的材料，如金属材料。后者认为，几乎没有塑性变形就突然断裂，这种快速 断裂，塑性区很小，主要应用于脆性材料，如煤、岩石等。 刀形截齿的破煤理论已经比较成熟，对镐型截齿的破煤机理的研究还处于开始阶段， 文献1 4 6 1 对镐型截齿的破煤机理进行了大量研究，并且建立了切削模型。该模型将切削破 碎过程大致分为四个阶段： ( 1 ) 变形阶段 1 一塑性区：2 一弹性区； 3 - - 截齿所受藏割力合力方向 4 一齿尖对煤体的压力分布； 5 一接触区前靖剪应力分布 图2 1 煤岩变形示意图 f i g 2 1s c h e m eo f c o a ld e f o r m a t i o n 1 4 生奎型茎查兰堡主堂垡堡塞 塑型蔓堂苎堡翌丝墨垄堂坌堑 截齿位置i ( 未切入) 前进到位置i i ( 切入) 。前刃面挤压煤壁时，在切入区产生压缩变 形区( 塑性变形区l 和弹性变形区2 ) ，如图2 1 ( a ) 所示，截齿切削刃部分对煤施加的压 力不是均匀分布的，中心处压力大，边缘处压力小，( 图2 1 ( b ) ) 。由此造成的应力场是 比较复杂的复合应力场。为了简化问题布希洛克理论，任何几何形状的刀具，作用在z = o 的半无限体平面上，最大剪应力并不发生在刀具与煤体接触面上，而是发生在切削 合力方向，在接触面下面某一位置上( 图2 1 ( b ) ) ，此处的剪应力比接触面上的剪应力大 2 倍多。由于煤的抗剪强度比抗压强度小很多，所以在正常情况下，压应力未达到破坏 值，剪应力己达到破坏值。与此同时，截齿与煤体接触面的周围边界处沿径恕产生拉应 力，这个拉应力使煤体表面产生裂纹。接触面上还产生一个剪应力，但较前面提出的最 大剪应力小。 ( 2 ) 压实核形成阶段 图2 2 形成压实核 f i g f2 , 2c o m p a c t e dn u c l e u s 当刀具位置继续前进至位置，截割力继续增加。由于剪切裂纹及赫兹裂纹的作 用，造成微裂纹应力集中。微裂纹的发生、发展和汇交，形成粉碎体。粉碎体压成密实 核( 压实和储能) 。根据p i c 图塔理论，密实核能代替刀尖向周围的煤体传递切削力，将 能量传递给周围煤体。因此，密实核具有切削作用，所以密实核又叫切削核。由于密实 核储存的能量具有高压流动性，所以，当圆锥面与煤体之间有间隙时，压实核粉就以很 高速度射出去。 ( 3 ) 裂纹形成阶段 当截齿从位置i i 继续前进到位置时，截割力继续增加。当接触面边界附近e 、f 点的拉应力超过煤的抗拉强度极限时，该处煤被拉开裂纹，称为赫兹裂纹。 当接触区b 点的最大剪应力超过煤的抗剪强度极限时，煤被错开，出现剪切裂纹。 1 5 坐堡型基查兰堡主兰堡垒兰堡型墼塑墼堡塑垒墨查兰坌堑 这样，在切削区域诶形成两个裂纹源。剪切裂纹逐渐扩展，与赫兹裂纹相交，使切 削层失稳、破裂，出现粉碎体。 图2 3 镐型截齿破煤过程中的裂纹源 f i g 2 3c r a c k i n gs o l l r c ei nt h ec o u r s eo f c o a lc u t t i n g ( 4 ) 裂纹扩展及崩裂阶段 当截齿从位置继续前进至位置v 时，截割力继续增加。一旦切削核瞬间被煤体封 闭而射不出去时，切削核对煤体的压力迅速增加。对锥孔周围的赫兹裂纹相当于悬臂梁 加载系统，裂纹在该加载系统下迅速按煤岩体内层理、节理弱面扩展，如图3 4 所示。 煤块a b c d 崩落，形成大的煤块。此时截割力突然下降，完成一次截割