金屬滲硼層具有良好的抗磨性和紅硬性，不足之處是脆性較大[2]。一方面是由于金屬滲硼層較?。ㄍǔ?0～150μm左右），而其線膨脹率與基體差別大，一旦受力、受熱，容易剝落；另一方面由于金屬滲硼層硬度太高（尤其是FeB可達(dá)2200～2400HV），一旦受到?jīng)_擊就可能發(fā)生崩落。倘若采用深層滲硼且使其鋸齒狀組織嵌入基體，就可以將其應(yīng)用于重載采煤機(jī)截齒。如此，不但可以改善采煤機(jī)的工作條件，而且和截齒焊接硬質(zhì)合金比較還可以降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。本文試圖就該設(shè)想的可行性進(jìn)行研究，以擴(kuò)大滲硼應(yīng)用范圍。 

 

1　滲硼試驗(yàn) 

 

1.1　滲劑的選擇 

 

選用固體滲硼法作為采煤機(jī)截齒復(fù)合滲硼方式。 

 

試驗(yàn)設(shè)備：KSY-12-16型箱式電阻爐、XJT-1型金相顯微鏡。 

 

通過幾種滲硼劑、滲硼厚度、金屬滲硼層金相結(jié)構(gòu)以及外觀形貌的試驗(yàn)比較，我們選擇如下滲劑：15%B4C＋10%Na2SiF6＋2%KBF4＋73%SiC。 

 

1.2　截齒材料的選擇 

 

采煤機(jī)截齒不僅工作環(huán)境惡劣，而且還要承受沖擊載荷和剪切應(yīng)力。所以，基材的選擇應(yīng)該既能達(dá)到一定的滲層厚度和較好的綜合力學(xué)性能，又能有較好的強(qiáng)度和韌性。為此，用20鋼、45鋼、40Cr鋼、T8鋼及T12鋼進(jìn)行比較試驗(yàn)。通過試件的滲硼厚度、滲硼層外觀形貌以及基材碳含量對(duì)滲硼層性能等多項(xiàng)結(jié)果比較[2]，最后選擇45鋼為截齒基體材料。 

 

1.3　稀土元素對(duì)滲硼效果的影響 

 

用我們選擇的滲劑不僅可以獲得較深的滲層，而且滲層的質(zhì)量也較好，唯一的缺陷是工藝周期太長(zhǎng)，約需20h。為此，在滲劑中適量加入了稀土元素，以期縮短滲硼時(shí)間、提高基體性能和減少能耗[3]。結(jié)果表明，加入10%的稀土元素，可使?jié)B硼速度提高20%～30%。此外，稀土催滲，不僅使?jié)B層化合物深度增加，而且還使擴(kuò)散層明顯加深。 

 

1.4　滲硼工藝的正交分析 

 

采煤機(jī)截齒工作條件復(fù)雜，煤體雖軟但其中常常夾著矸石、黃鐵礦、石英等硬料。既然要求截齒具有很強(qiáng)的抗沖擊和抗磨損能力，就必須對(duì)滲硼層厚度提出要求。故此，用正交試驗(yàn)法對(duì)滲硼工藝進(jìn)行了優(yōu)選。對(duì)應(yīng)的正交設(shè)計(jì)因素及水平見表1。

表1　滲硼正交設(shè)計(jì)因素表 

因素記號(hào)水平號(hào)123B4CAA1＝5%A2＝10%A3＝15%Na2SiF6BB1＝5%B2＝10%B3＝15%KBF4CC1＝2%C2＝4%C3＝6%滲硼溫度／℃DD1＝850D2＝950D3＝1050保溫時(shí)間／hEE1＝8E2＝16E3＝24

注：對(duì)于稀土元素，為減少影響因素使分析簡(jiǎn)單，僅考慮其催滲作用，故在此表中不加以體現(xiàn)；A、B、C分別為滲劑中B4C、Na2SiF6、KBF4在滲劑中的百分比含量，D為滲硼溫度，E為保溫時(shí)間。通過試驗(yàn)[4]，最后得到最佳滲劑配方及工藝條件： 

 

15%B4C＋10%Na2SiF6＋2%KBF4＋73%SiC；滲硼溫度為950℃，保溫時(shí)間為16h。對(duì)應(yīng)的滲硼層厚度為850μm，其金相組織見圖1。

 

圖1　截齒復(fù)合滲硼后的金相組織2　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 

 

為了檢驗(yàn)采用復(fù)合滲硼技術(shù)處理的采煤機(jī)截齒工作效果，經(jīng)試驗(yàn)室的抗壓性能試驗(yàn)、抗扭性能試驗(yàn)、抗沖擊性能試驗(yàn)以及抗磨損性能試驗(yàn)后，我們加工了50個(gè)截齒（復(fù)合滲硼處理），送至河南平頂山煤業(yè)集團(tuán)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，現(xiàn)將有關(guān)情況概述如下。 

 

2.1　試驗(yàn)方式及條件 

 

將16個(gè)滲硼截齒依次安裝在MG-150型采煤機(jī)滾筒靠煤壁的端頭。其中8個(gè)截齒按不同的傾角安裝。煤層厚度H＝1.8m，煤的硬度f(wàn)＝1.5，煤灰粉含量：Ad20，夾矸率：1／20，發(fā)熱量：5300J，采煤機(jī)滾筒直徑：1.4m，滾筒一次切割深度：0.5m。 

 

2.2　截齒磨損情況比較 

 

經(jīng)過為期10天的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，16個(gè)試驗(yàn)截齒總體工作狀況良好。圖2為試驗(yàn)前(右)后(左)滲硼截齒外觀形貌比較；圖3為試驗(yàn)前(左)后(右)同機(jī)工作的普通截齒外觀形貌比較。

 

圖2　試驗(yàn)前后滲硼截齒外觀形貌比較

 

圖3　試驗(yàn)前后同機(jī)工作的普通截齒外觀形貌比較從圖2、3可以看出，截齒的破壞形式主要還是磨粒磨損。這主要是由于煤的硬度和夾矸率較低所致。 

 

但是，比較試驗(yàn)結(jié)果普通截齒明顯比滲硼截齒磨損嚴(yán)重。對(duì)于普通截齒，尤其是靠近煤壁的截齒，由于齒體材料抗磨損性能相對(duì)較低，而且齒面發(fā)熱加速了齒體磨損，使截齒磨損加劇，硬質(zhì)合金刀頭裸露。而對(duì)于滲硼截齒，由于截齒整個(gè)齒面均已滲硼（1600～1800HV），抗磨損性能顯著增強(qiáng)，延長(zhǎng)了截齒的工作壽命。 

 

3　結(jié)論 

 

經(jīng)上述分析和試驗(yàn)，采用復(fù)合滲硼技術(shù)替代采煤機(jī)截齒焊接硬質(zhì)合金工藝，不僅技術(shù)上可行，而且經(jīng)濟(jì)上也比較合理。經(jīng)初步測(cè)算，復(fù)合滲硼處理的截齒較普通截齒可以降低成本40%，并且滲硼截齒除了可改善截齒工作條件外，還延長(zhǎng)壽命2～3倍。此外，采用滲硼