矿用截齿系列

硬岩截齿的研究与热处理一体化工艺

2019-01-12

 目前国内市场上的截齿强度普遍较低,大都用于截割煤岩、半煤岩。而截割全岩、硬岩用的截齿只能依赖进口。但进口截齿价格昂贵,随着我国煤炭产量的上升,每年为购买进口截齿花费了大量外汇,这就迫切需要采用新技术、新材料研制出高强度截齿,以满足煤炭采掘行业快速发展的需求。为此,我公司采用国产合金头进行焊接工艺的研究,以获得高强度的硬岩截齿。同时在硬岩截齿的领域也获得了重大的成就。买硬岩截齿就选山德维克。以下就是我们具体的研究方法与一体化工艺的部分过程:

  1 试验材料和方法

  本次试验采用了牡丹江北方合金有限公司新研制的BG35型合金头和45CrMo合金钢作为基体材料,通过中频感应钎焊-热处理一体化的方法获得一种高强度硬岩截齿。

  1.1 试验材料

  采用国产45CrMo合金钢为齿体材料,齿头采用BG35硬质合金,钎焊选用HL801片状铜锌钎料,钎焊选用FB105(硼砂+硼酸+氟化钾)。

  1.2 试验方法

  (1) 齿体制作试样将42CrMo合金钢冷镦成镐型齿体,并车削齿孔(要求表面粗糙度R 6.3,因为焊接表面粗糙度太低,毛细作用难以进行,钎料难以润湿)。分别制作4种间隙尺寸的试样,如下。

  齿体试样尺寸  试样间隙/mm   齿柄直径/mm     截齿长度/mm      数量/件

         1*                       0.1                      30                      152                    3

         2*                      0.2                       30                      152                    3

         3*                      0.3                       30                      152                    3  

         4*                      0.4                       30                      152                    3

  (2) 焊前清理

  硬质合金头用磨片去除表面疏松的氧化表皮,清理油污,然后经翻斗研磨抛光钝化处理,用清水清洗,置于50%的硼砂溶液中煮沸5min,烘干,烘干温度100~120℃,齿孔部分用HC1水溶液酸洗,酸洗温度40~60℃,酸洗时间10~20min。酸洗后再用棉布蘸丙酮擦拭干净。

  (3) 钎焊和热处理

  将片状的钎焊料预先放置到齿孔的底部,然后将清洗好的齿孔、合金头进行装配,利用可控硅中频发生装置进行齿头的感应钎焊。焊后分别采用分级淬火和等温淬火和压温淬火3种方式进行淬火处理,淬火后低温回火去除淬火应力。

  (4) 焊缝充满度观察及计算

  纵向及横向剖切截齿取样,用5倍放大镜观察焊缝并测量实际长度,焊缝充满度

  A=L/x100%

  式中 L——纵、横两截面上实测有效焊缝长度之和;

  ——纵、横两截面上理论计算长度之和。

  (5) 剪切强度试验

  按照MT246-2006<煤矿用截齿>推荐的方法分别对截齿进行钎缝抗剪强度试验。

  (6) 硬度试验

  按照GB/T230.1-2004<金属洛氏硬度试验>的方法分别对截齿齿头部分取样进行洛氏硬度试验。

  2、 试验结果及分析

  钎焊时,加热变成液体的钎料不是沿固态母体表面自由铺展,而是填满钎缝的全部间隙。由于钎焊的间隙很小,类似毛细管,钎料是依靠毛细作用在钎缝间隙内流动的。因此,钎料能否填满钎缝取决于它在母体间隙中的毛细流动特征。截齿钎焊焊缝间隙的大小是影响焊缝致密性和焊缝强度的关键因素,如果间隙太小,会妨碍钎焊料流入,而间隙过大,则又会破坏钎焊缝的毛细管作用,使钎料不能填满焊缝间隙。截齿的钎焊是合金钢与硬质合金的异种材料焊接,考虑硬质合金的线膨胀系数是钢的1/2~1/3,因此钎焊缝间隙应比钢与钢焊接时稍小。通过对4组不同间隙焊缝的试验研究,获得试验结果如下。

   截齿试验结果记录

  试样                                   间隙/mm                     焊缝充满度/%                   抗剪强度/MPa

          1-1*                              0.1                                83.5                                      260.4

          1-2*                              0.1                                81.1                                      246.1

          1-3*                              0.1                                80.2                                      240.7

          2-1*                              0.2                                97.3                                      327.5

          2-2*                              0.2                                96.2                                      320.4

          2-3*                              0.2                                95.8                                      311.5

          3-1*                              0.3                                96.3                                      292.1

          3-2*                              0.3                                98.1                                      306.2

          3-3*                              0.3                                94.7                                      290.5

          4-1*                              0.4                                89.2                                      280.2

          4-2*                              0.4                                88.4                                      277.3

    4-3*                              0.4                                90.8                                      281.5

  由此可见,钎焊时焊缝间隙越小,焊料越容易充满焊缝,焊接强度愈高,但焊接应力愈高,反之亦然。这是由于基本金属强度比钎料高,处于狭小间隙中的钎料层在发生塑性变形时,收到高强度的基体金属的限制,在其接头中形成了比较复杂的内应力,结果时接头强度随着间隙的减小而增大,同时,却因焊缝塑性变形能力的减弱而使焊缝接应力升高。但是,若焊缝间隙过小时,合金片与钢体在有些地方甚至会紧密接触,从而钎料熔化后不能铺展到整个焊接表面,使接头强度降低。间隙过大时,焊后基体对焊缝的支持作用减弱,以及大间隙中焊料呈柱状铸造组织,晶粒粗大,组织疏松,强度和韧性较差,导致接头强度下降。

  钎焊时一般都发生母材向液态钎料的溶解过程。母材向钎料的适量溶解,可使钎料成分合金化,有利于提高接头强度。随着钎焊温度的提高,保温时间的延长,母材在液态钎料中的溶解量都将增多。但是,母材的过度溶解会时液态钎料的熔点和粘度提高,流动性变坏,往往导致不能填满钎缝间隙,因此钎焊时间要根据基体材料和钎料的不同适当进行选择。

  截齿头部在经历了钎焊时的高温作用后表面硬度会有所下降,尤其是作为齿体材料的42CrMo合金钢焊后硬度下降幅度较大。按照煤炭行业截齿生产标准规定:截齿齿体硬度为HRC40~45,抗冲击韧性不小于49J/c.而作为截割硬岩用的高强度截齿,更是要求截齿头部硬度要达到HRC50以上,抗冲击韧性达到49J/c以上。而作为截割硬岩用的高强度截齿,更是要求截齿头部硬度要达到HRC50以上,抗冲击韧性达到49J/c以上。因此,截齿头部齿体部分钎焊后必须进行热处理,以获得高硬度和良好的抗冲击能量。

  本次试验分别采用了分级淬火、等温淬火和亚温淬火3种方式来提高截齿头部的硬度。分级淬火工艺;焊后空冷到880℃后将截齿放入300℃的盐槽中冷却,保持2h,然后取出空冷。亚温淬火工艺;焊后空冷到830℃后将截齿进行260℃的水冷,然后取出空冷。试验结果见下。

  热处理试验结果记录

  试样                     淬火方式                      硬度 HRC                   抗冲击韧性A/J.c

  2-1*                      分级淬火                          58                                     34

  2-2*                     等温淬火                          48                                      60

  2-3*                     亚温淬火                          54                                      66

  截齿分级淬火是在截齿头部材质为42rMo合金钢齿体发生奥氏体转变后,侵入等于马氏体转变温度M,点温度的盐槽中保持一段时间,使截齿整体达到介质温度后取出空冷以获得马氏体组织,获得的马氏体组织的截齿头部硬度较高,但是出于马氏体韧性很差,所以截齿抗冲击性能达不到要求。截齿等温淬火是在45CrMo合金钢齿体发生奥氏体转变后快冷到贝氏体温度区间等温保持,使奥氏体转变成贝氏体。贝氏体组织的截齿韧性虽然有很大提升,但是硬度为260℃,而没选用常规等温淬火温度880℃,这主要考虑在满足设计要求的条件下选用低的淬火温度和下限等温温度,这样尽可能远离钎料的熔点。
通过以上实验也使我公司在生产硬岩截齿方面取得了很大的成果,同时也为我国生产煤炭节约成本做出了一定的贡献,买硬岩截齿就选山德维克,打不动,不耐磨,找我!