采煤用WC—Co硬质合金截齿的失效分析

薛瑞

摘?要：对神华神东煤炭有限公司煤田采煤用硬质合金截齿进行了失效分析，认为该煤田截煤齿的主要失效形式为碎裂、磨损和断裂三种，引起截煤齿失效的主要原因为合金的抗弯强度不够、合金耐磨性较差以及抗疲劳性较差，分析认为可通过提高原料纯度、改变合金成分、优化成型烧结工艺、控制合金晶粒度以及对合金进行热处理等工艺手段提高增强截煤齿的性能，提高使用寿命。

关键词：硬质合金截煤齿失效分析

中图分类号：TD42 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）10（a）-0001-02

采煤用WC-Co硬质合金截齿由经淬火、回火处理的低合金结构钢刀体上镶嵌、钎焊WC-Co硬质合金刀头组成，是采煤掘进机械中的易损件。截齿性能的好坏，对采煤生产能力的大小、功率的消耗等均有直接影响，从而直接影响掘进机的掘进性能和掘进成本，是决定掘进机经济截割的重要因素[1-3]。

文章对内蒙古神华神东煤炭有限公司煤田采煤用截齿的失效进行了分析，截齿在截割煤层时，截齿以回转方式推进切割，承受高的周期性压应力、剪切弯曲应力、周期性或突发性冲击载荷等[1，4，5]；另外，由于截齿与煤岩剧烈摩擦而产生的摩擦热使齿头表面产生600～800℃的高温，使截齿还承受着较大的热应力作用，同时磨损过程中可能还会伴随有接触性疲劳甚至断裂等多种力学行为[2]。在如此复杂的工况条件下工作，截齿很容易发生失效，为有效提高截齿使用寿命，降低采煤成本，首先必须找出截齿失效的主要形式和原因，因此对截齿进行失效分析是相当重要的。

1失效形式

采煤用截齿在切割煤层时承受高的周期性压应力、剪切弯曲应力、周期性或突发性冲击载荷以及热应力、磨损等作用，虽然煤的硬度不高，但经常会遇到石英、煤矸石等较硬的矿石，截齿在使用过程中发生失效，其主要失效形式有合金碎裂、磨损和断裂。

2 失效分析

对公司煤田采煤用截齿失效后的齿头进行观察分析，齿头硬质合金牌号为YG9C、YG11C和YG13C矿用硬质合金

2.1合金齿的碎裂

合金齿头在煤层中掘进时，在冲击载荷作用下，表面处于高压应力状态，并且合金齿与煤层并不能完全良好的接触，若遇到煤层中坚硬的矿石，接触不良区域还会增加，在强大的推进力作用下，合金齿刃与煤层接触处承受高的剪切应力和压应力，合金齿头部将承受很高的拉应力，上述应力在交变载荷的作用下极易产生冲击疲劳，疲劳裂纹进一步发展导致大块的掉块，当应力作用超过合金的抗弯强度极限时将发生碎裂现象。

截齿在割煤时是一个周期性的切割过程，半程割煤半程空转。在割煤过程中，截齿在强大的推进力作用下，切割、压碎煤层，合金齿与煤壁产生剧烈的摩擦，齿头温度急剧上升；而在空转过程中，由于空气、喷水等的冷却作用，齿头温度又会迅速下降。这种忽冷忽热的过程使合金齿在承受周期性冲击载荷的同时还承受着周期性拉压交变热应力的作用。由于硬质合金钴相与WC相的热膨胀系数不同，钴相的热膨胀系数约为WC相的三倍，因此当合金齿温度升高时，钴相中将产生很大的压应力；当合金齿温度下降时钴相又会产生很大的拉压力，当热应力接近硬质合金抗弯强度值时，在该应力的循环作用下，将导致合金热疲劳裂纹的产生，随着循环热应力的不断作用，热疲劳裂纹将进一步扩展从而在宏观上表现为合金齿的碎裂[2，6]。

一般来说，矿用硬质合金抗弯强度一般为3200～5000MPa，从硬质合金力学性能上分析认为，合金齿头发生碎裂现象主要是因为合金的抗弯强度值不够高而导致的，另外合金的微观缺陷也易产生应力集中区域从而导致合金的碎裂。

2.2合金齿的磨损

合金齿齿面在截煤工作过程中与煤岩直接接触相互研磨，由于煤层内常会有磨损性强的石英和煤矸石等杂质的存在，会产生冲击疲劳和磨粒切削，这会对截齿产生磨粒磨损失效。采煤机合金齿在切削煤层时，由于磨擦生热使合金齿表面产生600～800℃的高温，并且温度的升降是交变的，交替变化的温度使得矿用截齿要承受热疲劳磨损；同时合金齿在交变的冲击载荷作用下，齿表面会发生变形，并且逐渐形成显微裂纹，显微裂纹在周期性冲击载荷作用下会不断扩展，同时表层的钴相被优先消耗，WC颗粒会由于失去钴相的粘结作用而脱落，最终表现为合金的颗粒发生大面积剥落，另外在截煤过程中还会发生大颗粒WC碎化而流失的现象[7，8]。

2.3合金齿的断裂

硬质合金齿中存有一定的孔隙、钴池、表面微裂纹和粗大WC颗粒等缺陷，这些是硬质合金本身固有的缺陷，都可以使应力集中成为合金的断裂源；在采煤过程中，由于反复的冲击、挤压、磨损，造成钴相优先挤出流失，合金中依靠钴相的粘结作用粘结在一起的WC颗粒之间的结合被破坏，WC颗粒发生脱落，同时在发生因冲击载荷作用下造成WC颗粒的碎化脱落处，也会产生应力集中，易诱发裂纹的形成和扩展[9]。

3 提高合金齿性能的措施

通过分析文章认为硬质合金齿失效的主要原因有以下三点：①合金的抗弯强度不够，合金在工作时瞬时的冲击载荷很容易就达到甚至超过合金的抗弯强度值；②煤层中的石英和煤矸石对合金的磨损；③周期性和突发性冲击载荷以及合金齿与煤层剧烈摩擦时产生的摩擦热从而造成的冲击疲劳和热疲劳裂纹。

因此为了提高硬质合金截齿的使用效率，在制备合金时就应尽量提高其抗弯强度、耐磨性，提高合金的疲劳抗性，同时在使用过程中应加大冷却齿头力度，尽量减小合金齿的冷热循环，延长合金齿使用寿命。

3.1提高合金齿强度、韧性

硬质合金中的孔隙度、WC晶粒大小及分布、合金上下密度差等是影响抗弯强度、韧性最主要的因素。

目前人们多通过制备非均匀结构硬质合金、粗晶粒矿用合金、梯度结构硬质合金、添加微量元素改性粘结相以及利用新型的成型、烧结工艺等手段来提高硬质合金的强度和韧性，从而延长了合金的使用寿命[10-12]，美国Smith公司在一份关于矿用钻头的专利中[13]，在适当降低了合金钴含量的前提下，采用平均晶粒度5.8μm的WC生产硬质合金，并与普通硬质合金进行对比，认为：用粗晶粒WC和低Co量生产出来的硬质合金齿，其抗弯强度、韧性都得到了提高，也就是说，粗晶粒合金在有高耐磨性的同时，其强度和韧性也得到了提高。

3.2提高合金齿耐磨性

硬质合金耐磨性由合金微观结构和化学成分所决定，目前硬质合金截齿合金为了保证其具有良好的强度和韧性，一般含钴量都偏高。人们多通过研究硬质合金微观组织结构、调整合金化学成分、控制合金机械物理性能（如强度、硬度、韧性等）来提高合金的耐磨性，有文章[14-16]指出通过尽量减少合金缺陷的发生、生长，阻止fcc-Co向hcp-Co转变，添加适量稀土元素等方法可有效提高合金的耐磨性能。

3.3提高合金齿的抗疲劳性能

钴含量和WC晶粒度是影响硬质合金抗疲劳性能的主要因素：热疲劳裂纹的产生、扩展深度与扩展速度均随着合金钴含量的提高或WC晶粒的增大而逐渐减小，此外，合金中WC晶粒的增大也将使钴相的平均自由程增大，从而提高合金的抗疲劳性能。郭圣达[17]认为可通过控制合金显微组织结构、调整化学成分、减少合金残余应力、强化粘结相、加大粘结相的平均自由程、增大合金热导率、阻止fcc-Co向hcp-Co转变、增加合金应力功吸收能力等方法来阻止和延缓裂纹扩展，可有效提高截齿抗疲劳性，延长截齿使用寿命。

4 结语

对内蒙古神华神东煤炭有限公司煤田用废的硬质合金截煤齿进行了失效分析，得到以下结论：①硬质合金截煤齿失效的主要形式有碎裂、磨损和断裂三种；②合金齿失效的主要原因为合金的抗弯强度不够；耐磨性较差；抗疲劳性较差；③可通过提高原料纯度、改变合金成分、优化成型烧结工艺、控制合金晶粒度以及对合金进行热处理等工艺手段提高硬质合金截煤齿的使用寿命。

参考文献

[1]周建华，卢伟民.新型矿用截齿（G413）的开发与应用[J].超硬材料工程，2009，621（3）：17-20.

[2]谭永生，蔡和平，刘忠侠，等.硬质合金截齿齿头的失效分析[J].稀有金属，1998，22（6）.

[3]姬玉媛.怎样选好矿用截齿的刀体材料及热处理方式[J].现代零部件，2007（2）：8-9.

[4]高彩云，赵运才.矿用截齿失效原因及对策探讨[J].矿山机械，2000（2）.

[5]赵运才，唐果宁.采煤机截齿齿体材料及工艺分析[J].矿山机械，1999（2）.

[6]张国栋.优质强力截齿的研制[J].煤矿机电，2005（5）：29-32.

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[9]王新，阴磊.截齿研究发展概况[J].科技情报开发与经济，2008（4）.

[10]张国栋.提高矿用截齿性能的技术途径[J].煤矿机械，2006，27（5）：827-829.

[11]郭圣达，羊建高，陈颢.粗晶粒WC-Co类硬质合金研究现状[J].粉末冶金工业，2011.8，21（4）：58-62.

[12]黄莉玲，张正富.钻岩用硬质合金韧性和断裂机理的研究现状[J].材料导报，2008（2）：428-431.