礦山機械表面等離子堆焊技術
聯系人：周先生 188-1783-0935
摘要：為減少礦山機械的磨損, 對礦山機械的摩擦學問題進行了討論。通過對幾種典型礦山機械的磨損形式和機理的研究, 發現其磨損形式是磨損和斷裂, 磨損機理主要是磨粒磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損。對幾種表面磨損比較嚴重的機械設備提出相應的防護方法，以提高機械設備使用壽命和生產效率。
關鍵詞:礦山機械; 磨損失效; 堆焊 ;表面改性
1.引言
礦山開采是發展能源、交通材料及基礎工業的*一道工序, 我國現有礦山開采設備包括鉆孔鑿巖機械、鑿井和巷道掘進機械、礦用挖掘機、裝載機械、裝藥及充填機械、采場運輸和輔助機械等。從80年代以來的技術引進和技術改造, 我國礦山機械的研制技術水平有了長足的進步和發展, 已初步形成了比較完整的科研開發、設計體系和生產制造基地。通過**技術引進、設備進口和重大技術裝備的攻關研究礦山開采設備的科研、制造能力和技術水平也有了*地壯大和提高。然而我國在礦山機械設計、制造、使用和維護過程中對**材料的研究和**防護比較晚, 不能將當今**的抗磨技術和**材料及時應用于礦山機械的設計和制造中, 造成我國礦山機械易磨損件的使用壽命遠遠低于國外**水平。為了提高礦山機械的使用壽命, 降低機件的磨損, **了解這些材料的磨損原理, 并運用摩擦學的知識對礦山機械易磨損件進行失效分析, 掌握其磨損機理, 然后根據實際情況, 改進設計, 恰當選材, 采用合理的抗磨工藝。本節主要對鄂式破碎機、刮板輸送機、采礦掘進機3個主要大型機械進行進行磨損分析、以及一些改進方法。從而提高機械使用壽命達到提高生產效率的目的。
2．堆焊工藝介紹
堆焊作為材料表面改性的一種經濟而**的工藝方法，越來越廣泛地應用于各個工業部門零件的制造修復中。為了較有效地發揮堆焊層的作用，希望采用的堆焊方法有較小的母材稀釋、較高的熔敷速度和優良的堆焊層性能，即**、高效、低稀釋率的堆焊技術。
 2.1等離子弧堆焊原理
**材料等離子弧堆焊技術是采用等離子弧堆焊方法，利用等離子弧的高溫，電流密度大的特點。將高硬度質顆粒均勻地釬鑲于堆焊層金屬中,而硬質顆粒不產生熔化或很少產生熔化.形成復合堆焊層.這種復合堆焊層是由兩種以上在宏觀上具有不同性質的異種材料組成.一種是在堆焊層中起主要**作用的碳化物硬質顆粒,一般為鑄造碳化鎢,碳化鉻,碳化硼,燒結碳化鎢等.從原則上講各種碳化物,硼化物甚至硬度更高的金剛石都可以作為復合堆焊層的組成物.目前國內外工業上復合材料等離子弧堆焊應用焊接較多的硬質顆粒是鑄造碳化鎢,它是由共晶組成,硬度為250～300.堆焊層的另一種組成金屬是起"牯結"作用的基材金屬,也稱之為胎體金屬,它是堆焊層中的基體.一般認為,硬質顆粒與胎體金屬的結合是釬焊結合,堆焊層與母材的結合為冶金結合.
2.2等離子弧堆焊特點
采用等離子弧堆焊技術獲得的復合堆焊層質量穩定**.復合材料等離子弧堆焊技術的較新進展可使堆焊層達到無氣孔,裂紋及碳化物燒損,熔解等缺陷.碳化物顆粒在堆焊層中分布均勻. **材料堆焊層**性高,在磨損嚴重的工況條件下,復合堆焊層的**性表現尤為**,可較通常的鐵,鈷,鎳基舍金表面保護層提高**使用壽命幾倍甚至十幾倍. 具有較高的結合強度.由于堆焊層與被保護工件表面是冶金結合,因此可以滿足很高的強度要求.同熱噴涂獲得的復合**保護層比較,堆焊層結合強度是熱噴涂層結合強度的3—8倍. 復合堆焊層能滿足一定的抗沖擊要求.例如,水泥生產設備的石灰石破碎機錘頭,由于在磨損過程中所受的沖擊力較大,一般采用高錳鋼材料,使用壽命較低,在表面堆焊高碳高鉻合金后,易造成堆焊層破碎剝離,若采用復合**堆焊層可避免這種情況發生,并且**性明顯提高.可實現高教自動化生產,降低工人勞動強度,改善作業條件.提高勞動生產率.
3.主要機械設備磨損介紹及防護
3.1 破碎機
根據破碎機理的不同, 目前使用的破碎機有顎式破碎機、圓錐破碎機、輥式破碎機以及錘式破碎機等。各類破碎機的機械結構不同, 其磨損情況也有一定差異。
3.1.1顎式破碎機
顎式破碎機的破碎機理是依靠動顎相對于定顎的擠壓運動來破碎物料, 因此使用過程中顎板的磨損相當嚴重。在顎式破碎機的工作過程中, 動顎板在偏心軸的帶動下對定顎板做往復擺動, 擠壓物料達到粉碎的目的; 同時動顎板又在垂直方向上有很大程度的上下運動, 使物料與顎板之間產生相對滑動。因此, 顎板的磨損主要是由物料的擠壓以及物料與顎板之間相對滑動造成的。
3.1.2圓錐破碎機
圓錐破碎機中消耗量較大的易損件是破碎機襯板, 它安裝在動錐與定錐的表面, 磨損機制為塑變磨損、切削磨損與疲勞磨損3 種共存。工作過程中, 動錐體作偏心自轉運動, 當其轉至定錐體時, 給待破碎礦石一個**的沖擊載荷, 使固定襯板受到擠壓而產生塑性變形。而承受**載荷的礦石, 又使動襯板受到擠壓應力和剪切應力。擠壓應力使動襯板也產生塑性變形。同時, 在動錐體旋轉時, 礦石與襯板之間相互產生剪切應力。滑動的礦石及被擠壓于底部的礦石對襯板表面進行鑿削和切削, 使襯板發生切削磨損。此外, 圓錐破碎機破碎力大,轉速高, 襯板在**的壓縮與剪切壓力作用下, 承受周期性的接觸疲勞載荷, 在亞表層較易產生疲勞裂紋而導致疲勞剝落。
3.1.3輥式破碎機
輥式破碎機中磨損較嚴重的部件是破碎輥, 其失效的主要原因是切削磨損和疲勞磨損的綜合作用。在破碎輥轉動時, 隨著輥間隙的減小, 擠壓應力劇增, 物料被破碎, 并在高擠壓應力下形成**的反作用力, 周期性地反復作用于破碎輥表面, 使得破碎輥材料在一定深度內逐漸硬化和脆化, 并形成微裂紋, 較終材料以疲勞剝落方式逐漸剝離母體, 形成剝落坑。此外, 破碎輥除了對物料有擠壓作用, 相向轉動時對物料還有輸送作用。物料伴隨著破碎沿輥面由上而下運動, 與破碎輥之間產生相對滑移, 從而對破碎輥表層產生切向作用力, 使破碎輥產生切削磨損。
3.1.4錘式破碎機
錘式破碎機的主要工作部件為帶有錘頭的轉子, 其中較*磨損的零件有錘頭、襯板和篩板。錘頭在轉子的帶動下高速運轉, 打擊進入破碎腔中的物料, 其工作部分較易被物料磨削而產生嚴重磨損。襯板安裝在進料部分, 與托板共同構成打擊板。襯板與物料直接接觸, 并且承受物料進入時的沖擊和磨削作用。篩板的主要作用是卸料, 安裝在轉子的下方。物料受錘頭打擊, 使篩板承受沖擊載荷。落在篩板上的大塊物料, 與錘頭、篩板篩條形成三體磨損; 被錘頭粉碎的小塊物料在卸出時與篩條之間有相對滑動, 也在一定程度上使篩條受到磨損。
 露天礦上采用較多的一般為顎式破碎機，主要是因為顎式破碎機方便簡單，相對其他的比較經濟。但是襯板的磨損也是不能忽視的。失效的襯板經過一段時間就得換，嚴重影響了工作效率，同時失效襯板就得廢棄，為了提高其使用壽命，提高生產效率。我們采用了等離子弧堆焊技術在襯板表面堆焊一層硬質**合金。一般的鄂板采用的是低碳錳鋼16Mn、20Mn等制造**件, 這種鋼與普通碳鋼相比, 其抗磨性能有所提，例如，采用D062高強韌不銹鋼焊條，因為焊縫金屬含Mn、Cr、Ni等合金，耐蝕性、強韌性較好、抗高溫及加工硬化等特點。
3.2刮板輸送機
刮板輸送機是礦山工業領域中常用的運輸設備, 它是靠刮板鏈拖動刮板在中部槽內滑動而輸送物料的, 其主要的磨損失效形式是摩擦磨損和腐蝕磨損。刮板輸送機中磨損較為**的部件是中部槽、鏈條、鏈輪等。
3.2.1中部槽磨損
刮板輸送機的工作原理是由刮板鏈通過機頭電機的牽引拖動刮板帶著物料一起在中部槽內移動, 因此中部槽的磨損主要是物料、刮板和鏈對中板及槽幫鋼的磨損。刮板輸送機在實際使用中, 由于地面不平等因素, 會導致鋪設角**過規定的彎曲傾角, 從而使鏈條在運行過程中與槽幫鋼和中板的接觸壓力增大, 加速了中板和槽幫鋼的磨損。此外, 煤礦用刮板輸送機的槽幫鋼上翼還會因采煤機的移動而產生一定的磨損。
3.2.2鏈條磨損
刮板輸送機鏈條在使用過程中要與中部槽及物料進行接觸, 產生摩擦。同時, 主動鏈輪與鏈環在嚙合時會產生相對滑動, 而鏈環與鏈環之間也會產生摩擦。各種原因綜合作用, 使鏈條不可避免產生磨損。鏈條的磨損會致使鏈環截面積減小, 強度降低, 并較終導致鏈條斷裂。
對于輸送機不同零部件我們需要選擇合適的處理方法。對于刮板我們可以采用電鍍硬質鉻，鏈條可硬通過先滲氮、滲碳強化再進行電鍍硬質鉻等處理。對于中部槽、鏈輪可以采用堆焊碳化鎢等硬質合金。同時要注意做好這些零部件的潤滑處理，中部槽與鏈條之間的磨損 可以采用一些石墨作為潤滑劑已達到緩解磨損。還有鏈條與鏈輪可以添加一些固體潤滑劑黃油等。通過這些處理對于刮板輸送機的使用效率會有明顯提高。
3.3采礦機
采礦機是煤礦行業的重要機械設備之一,由于工作時間長, 工作環境惡劣, 其失效后給企業造成嚴重的損失。采礦機的失效形式主要是磨損失效, 而磨損較嚴重的部件就是采煤機的截齒和滾筒。
截齒是采煤機中直接在煤層中截煤的零部件,它安裝于滾筒上, 隨著滾筒的旋轉而運動, 與煤層直接接觸, 產生摩擦。如果煤層中存在矸石等硬的物料, 會使截齒產生更大的磨損, 還有可能導致斷裂。采煤機滾筒的磨損, 主要是截割下來的煤塊在滾筒上移動造成的。隨著截齒將煤塊從煤壁上截割下來, 煤塊自然地落在2 條螺旋葉片之間, 沿著旋轉著的螺旋滾筒軸向移動到輸送機上, 在此過程中對滾筒的磨損非常嚴重, 特別是螺旋葉片會從較初的25 mm 磨損到只有幾個毫米。
為了解決截齒在采煤過程中的**磨損失效問題，采用堆焊方式（或其他冶金方式）在截齒錐**（硬質合金刀頭）以下齒體部位，沿圓周方向堆焊一個寬度約20—30mm厚2—3mm的環形帶。此環形帶即稱之為**堆焊層。從機理上講，截齒**堆焊層的作用是：（1）彌補或改變因硬質合金刀頭釬焊工藝在齒體圓周形成的性能劣化現象（指先熱處理后釬焊工藝生產的截齒）。（2）進一步優化或強化刀*分使用性能。當然，采用先釬焊刀頭后整體熱處理截齒的制造工藝時，后者的作用更為**。截齒堆焊層的工況條件比較復雜，截齒在切割煤巖過程中除了承受周期性壓應力、切應力和沖擊載荷作用外，還要承受長時間磨粒磨擦、沖擊產生的溫升作用，以及腐蝕介質的腐蝕作用。有文獻把截齒的磨損機制或性質歸納為，機械磨損伴隨著熱疲勞磨損和磨粒磨損。
等離子弧堆焊材料選用20CrMnTi或20CrMnMo作為截齒母材，粉末填充材料的合金系統為Cr-Mo-V-Ti，該工藝采用先完成堆焊層，后進行硬質合金刀頭釬焊工藝順序，利用釬焊熱循環對等離子堆焊層進行二次硬化處理，獲得硬度不降反升的堆焊層。在20CrMnTi和20CrMnMo鋼制截齒體*、釬焊孔周邊部位，采用等離子弧分兩次堆焊**合金層，該合金層上端距釬焊縫小于2mm，下端距釬焊縫大于30mm。利用等離子弧堆焊高溫熱循環，使齒頭心部退火軟化，有利于鉆削釬焊孔加工。在隨后對硬質合金刀頭的釬焊過程中，由于加熱溫度較高，堆焊層金屬不可避免發生高溫回火，堆焊層*量強碳化物元素Cr、Mn、Mo、Ti使碳化物析出，導致堆焊層金屬產生所謂二次硬化現象，較終，堆焊層硬度不是下降，而是升高，達到HV700左右。井下工業試驗表明，等離子弧堆焊工藝**解決了釬焊過程對齒頭造成的退火軟化難題，延長了硬質合金刀頭的服役期。新工藝生產截齒的總體壽命，達到傳統工藝生產同類截齒的兩倍以上，制造成本降低20%.采礦機截齒堆焊層實質上是一個防護層，在采礦過程中與截齒頭（含硬質合金刀頭），共同承受強烈磨損、周期沖擊、高溫及腐蝕等作用，截齒堆焊層性能的優化與改善，是防止截齒**磨損失效的重要技術措施。
4．結束語
礦山機械的工作環境惡劣, 磨損與腐蝕無處不在, 由磨損失效給地區帶來的經濟損失很大, 因此應該對礦山機械的磨損問題進行深入地研究, 以求減小磨損, 降低經濟損失。對礦山機械的磨損失效進行分析, 運用摩磨損理論與設計的知識對礦山機械設備進行改進, 并加強抗磨材料的研發進度, 同時注意設備的正確使用和維護, 是減少礦山機械磨損,延長其使用壽命的有效措施。