煤矿用截齿失效研究现状及发展趋势

高 英

（煤炭科学研究总院太原研究院，山西 太原 030006）

矿用截齿是煤炭工业采掘工程中采煤机、掘进机等矿用机械装备用来破岩落煤用的刀具，截齿在工作过程中，由于地质条件复杂，造成失效，使得截齿消耗量较大。截齿在煤机装备使用中属易损件，是更换量最大的煤矿机械零件之一。目前，国内外使用的截齿主要有两类，割刀型截齿和镐形截齿，其中镐形截齿应用较广。该两类截齿的共同特点，是在截齿前端中心孔中镶嵌硬质合金头，硬质合金头采用钎焊技术镶焊在刀体头部的中心孔中。

1 截齿的失效形式

截齿在截割煤岩时，承受高的压应力、剪切应力和冲击负荷，以及由于磨损热使截齿刀头磨损表面产生600～800℃的高温，使截齿齿顶产生高温回火，硬度下降50%[1]，加速了截齿的失效过程。

1.1 截齿磨损

截齿在截割煤岩过程中，通过敲击摩擦实现破岩落煤的功能，磨损是截齿失效的主要形式。根据磨损理论，煤岩对金属的磨损属于磨料磨损。在干摩擦状态下，煤中的硬矿物（如石英、黄铁矿等）是造成截齿磨损的主要因素。由于井下环境介质的腐蚀作用，截齿的磨损还有少量的腐蚀磨损，在煤岩水浆腐蚀磨损中，介质的腐蚀作用，也进一步加剧了截齿的磨损。

截齿磨损失效主要有两种形式：刀头（硬质合金）磨损和刀体（与硬质合金接触的锥体部分）磨损。刀头磨损主要是硬质合金在疲劳载荷下产生破碎脱落，刀体磨损是由于截齿刀体本身合金元素含量较低，耐磨性能差所至，其结果是容易造成合金头裸露脱落。磨损是截齿失效的主要原因之一。

1.2 硬质合金头脱落

当截齿刀体的锥体部分磨损到一定程度后，其齿尖的硬质合金（割刀形截齿为合金片，镐形截齿为合金头）将受弯曲应力导致脱落。刀头脱落的原因主要有：

（1）刀头和刀体间钎焊存在质量问题，未能达到要求的焊接强度，如焊接处存在夹砂、微裂纹以及虚焊等缺陷；

（2）刀体在使用过程中磨损过度，尤其是发生刀体的偏磨现象，容易造成刀头裸露而脱落。脱落刀头的截齿将发生快速磨损，应及时更换，否则将造成齿座的磨损。

1.3 硬质合金头碎裂（崩刃）

截齿截割煤岩时，在频繁的冲击载荷作用下，刀头处于高压应力状态。若遇到煤岩中坚硬的矿料，在齿刃与煤岩接触不良处承受高的剪应力，处于拉应力状态，当拉应力超过合金的强度极限时，即发生碎裂。对于刀形齿来说，表现为合金片的断裂，而镐形齿为镶嵌刀尖的折断[2]。造成硬质合金头碎裂的原因主要有：

（1）硬质合金中含有杂质，晶粒不均匀，部分合金中有裂纹；

（2）硬质合金压制工艺比较落后，合金密度差大、孔隙多、硬度低。

合金头碎裂后，截齿缺乏锐利的合金齿尖，使得截割阻力加大，影响截割效率，并加剧截齿齿体的磨损。

1.4 截齿丢失

在实际使用过程中，截齿的丢失现象是普遍存在的问题。截齿丢失的主要原因，在于截齿固定不可靠或固定装置磨损等等。

综合起来，截齿的主要失效形式有：磨损（包括硬质合金刀头、齿体）、硬质合金刀头脱落、刀头碎裂（崩刃）及截齿丢失等。

研究证明，随着截齿截割煤岩条件的不同，其失效形式也各不相同，对于软质煤岩或夹矸少的地质环境，截齿失效以磨损为主；对于硬质煤岩或夹矸多的地质条件，截齿失效多以硬质合金头崩碎、丢失和杆断为主[3]。

2 提高截齿耐磨性的技术对策趋势

为了适应煤炭生产高效、安全的要求，尤其是掘进机向半煤岩巷、岩巷的挺进，满足新型采掘机械装备对截齿的要求，截齿性能应具有低比能耗、大块度煤炭、降低粉尘浓度、高强度、高耐磨性、自旋转、工作可靠、寿命长等特点。为了提高截齿的耐磨性能，延长使用寿命，目前常用的工艺措施如下：

2.1 采用可实现转动的截齿

增大刀头直径D与固定轴直径d的比值，使得截割中刀齿在齿座中自动旋转，刀齿的旋向使刀尖自动刃磨，提高截齿的寿命[4]。

2.2 利用热喷涂技术对截齿进行处理

热喷涂是利用一种热源，将喷涂材料加热至熔融状态，并通过气流吹动，使其雾化高速喷射到零件表面，以形成喷涂层的表面加工技术[5]。热喷涂技术可在金属基体上沉积陶瓷涂层，将陶瓷耐高温、耐磨、耐蚀等特性与金属材料的强韧性、可加工性、导电导热性等特性结合起来，以获得理想复合涂层制品，已成为当今复合材料及制品研制领域的一个重要发展方向。

采用热喷涂工艺，在采煤机截齿体头部喷焊一层高硬度耐磨合金，该合金层与截齿体具有良好的冶金结合，具有高硬度耐磨不脆裂的特点，其寿命比传统的镶嵌硬质合金截齿高0.5～1.0倍左右，且制备工艺简单[6]。

2.3 利用堆焊技术对截齿进行处理

在传统镶嵌硬质合金头位置的截齿头部，利用堆焊技术，按截齿形状要求分层堆焊出截齿头部。堆焊涂层的主要合金元素为W、Cr、V，且合金元素含量与W系高速钢基本一致，涂层处于熔融状态，因此涂层结构类似铸造高速钢组织，其组织由骨骼状的共晶莱氏体和奥氏体的转变产物组成，保证涂层具有较高的硬度与耐磨性。涂层硬度为660.6HV，虽然不如硬质合金的高，但是相比之下，涂层的抗冲击性能要优于硬质合金，较适合于煤层中含有夹矸或有断层的情况[7]。

2.4 利用等离子束表面冶金对截齿进行处理

等离子束表面冶金技术，本质上是一种快速非平衡冶金反应过程，原则上可不受组成物的相溶性、熔点、密度等性质的限制，可利用任意粉末的任意配比，获得通常冶金方法不能得到的合金层。它是在喷涂、熔覆、堆焊之后发展起来的涂层技术[8]，在传统的热处理工艺基础上，对截齿齿体进行等离子束表面冶金，可以获得耐磨抗冲击涂层，与用传统工艺生产的同型号截齿相比，寿命提高2倍以上，制造成本降低了20%，具有十分显著的推广应用价值[9]。

2.5 采用镶铸工艺制造截齿

镶铸截齿，是采用在铸型型腔中放硬质合金，然后浇注铁液一次成型。解决了钎焊截齿所存在的问题。通过调整铸件合金元素的加入量，使截齿体具有较好的耐磨性和韧性，同时使硬质合金和截齿体之间达到冶金结合，显著提高硬质合金和截齿体之间结合力。而且简化了工艺，降低了成本，并显著提高了使用寿命，与锻造钎焊截齿相比，综合寿命提高4倍以上[10]。

2.6 采用“三高”制粉工艺生产硬质合金头

采用“三高”制粉工艺生产硬质合金头材料，具有以下特点：

（1）选用“三高”制粉工艺生产的合金原料纯度高，杂质含量低钨粉还原和碳化温度高，碳化钨结晶较完整，避免了特别粗大的碳化钨晶粒的出现，减少了合金潜在的裂源；

（2）采用钴相非均匀合金制造工艺制取硬质合金头，兼有高钴合金的高韧性和低钴合金的高耐磨性及粗晶粒合金的高韧性和细晶粒合金的高耐磨性等特点；

（3）采用二次加料压制成型的新工艺，可克服通常采用的手压模成型出现的缺陷，使硬质合金头的密度基本趋向一致；

（4）主要力学性能指标：硬度HRC89、强度σb=2650 MPa，冲击韧性 aK=16 J/cm2[11]。

采用“三高”制粉工艺生产硬质合金头技术研制的矿用截齿被应用于EBJ-120TP型掘进机，在平顶山煤业集团一矿进行的井下工业性试验中取得了好的效果。试验期间共掘进进尺792m，掘进断面13m2，其中岩巷进尺45m，半煤岩巷进尺40m，岩石硬度f=6～8的条件下，截齿共消耗5把，折合0.0006把/m3（实体）。截齿消耗低于原所用截齿的指标，其抗磨损性能和抗冲击性能有了较大的提高[12]。

2.7 合金头采用硬质合金表面烧结金刚石

针对硬质合金头容易发生碎裂的现象，目前有些企业正在研究在传统硬质合金头表面烧结一层金刚石，从而进一步提高合金头切割硬岩的能力，同时利用表面处理技术，处理截齿的锥体部分，使得合金头与齿柄部分的耐磨性均能够大幅度的提高。

3 结束语

煤矿生产，环境恶劣，截齿工况苛刻，每年因截齿失效造成的经济损失大得惊人。政府和相关部门应对截齿可靠性研究给予高度重视。重视摩擦学理论与设计的应用，充分发挥现代表面工程技术的作用，加速抗磨材料的研发，加强截齿的维护和管理。解决矿用截齿在研发设计、制造工艺、针对不同地质条件的选型和使用等方面存在的问题，进一步提高截齿的寿命，可以大大降低截齿损耗，进一步提高煤炭生产效益，降低成本，很好地适应高产高效矿井建设和硬岩掘进的需要。

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