掘进机镐形截齿等离子弧堆焊耐磨强化文献学习体会

文献概况与工程需求

张宁等发表于《热加工工艺》2014年第43卷第3期的这篇论文，针对掘进机镐形截齿的磨损失效问题，采用等离子弧堆焊对感应钎焊生产的截齿钎焊接头进行耐磨强化处理。该研究由徐州工程学院机电学院与中国矿业大学材料学院联合完成，获得江苏省科技支撑计划重点项目资助。

掘进机是煤矿巷道掘进的核心装备，截齿是其直接参与破岩作业的消耗件。文献指出，截齿系统中的齿体部分磨损失效占到其总体失效的一半，这是截齿寿命短、更换频繁的主要原因。该文献的核心价值在于：通过等离子弧堆焊在齿体表面形成耐磨层，从根本上解决因齿体尖部硬度过低导致齿尖磨钝、截齿磨损和硬质合金头过早脱落的问题。

等离子弧堆焊工艺特征

等离子弧堆焊（Plasma Arc Surfacing）是利用等离子弧作为热源的堆焊方法，其工艺特征与传统电弧焊有显著区别：

在截齿齿体尖部的堆焊强化中，低稀释率是关键优势。齿体尖部是承受破岩冲击与磨料磨损的核心区域，堆焊层需要保持高硬度与耐磨性。若稀释率过高，基体材料大量混入堆焊层，将显著降低堆焊层的硬度和耐磨性。等离子弧堆焊的低稀释率特性，使其成为截齿齿体强化的理想工艺。

堆焊层组织与性能分析

文献分析了堆焊接头的显微组织、表面形貌和力学性能。虽然文献未给出详细的组织描述，但根据等离子弧堆焊Fe30型耐磨焊材的常规特征，堆焊层组织通常包含：

• 基体组织：回火马氏体+回火索氏体，提供强度与韧性基础。
• 强化相：M₇C₃型碳化物（如Cr₇C₃、Fe₇C₃）以颗粒状弥散分布，提供抗磨料磨损能力。
• 界面特征：堆焊层与基体之间形成冶金结合，界面过渡区宽度取决于稀释率。

Fe30型耐磨焊材是典型的低碳高铬耐磨堆焊材料，其Cr含量通常在25%-35%之间，C含量在0.8%-1.5%之间。在等离子弧堆焊的低稀释率条件下，堆焊层的Cr含量可保持接近焊材原始成分，从而形成高含量的Cr₇C₃碳化物，提供优异的抗磨料磨损性能。

失效分析与工艺优化思路

截齿齿体磨损失效的机理涉及多种磨损机制的协同作用：

1. 磨料磨损：岩层中的硬质矿物颗粒（如石英、刚玉）对齿体表面产生微切削与犁沟作用。
2. 冲击磨损：截齿高速冲击岩层时，齿体表面承受交变冲击载荷，导致表面疲劳与微裂纹萌生。
3. 粘着磨损：齿体表面与岩层之间的摩擦导致材料转移与粘着。

针对上述磨损机制，等离子弧堆焊强化的优化思路如下：

• 提高硬度：通过高Cr含量形成大量Cr₇C₃碳化物，提高堆焊层硬度至HRC 55-60，增强抗磨料磨损能力。
• 优化碳化物形态：控制冷却速度使碳化物以细颗粒弥散分布，避免形成连续网状碳化物（后者降低韧性）。
• 控制稀释率：通过等离子弧堆焊参数优化（电流、电压、弧距、扫描速度），将稀释率控制在10%以下，保证堆焊层成分纯净。
• 堆焊层厚度：齿体尖部堆焊层厚度需满足2-3mm，既保证耐磨层厚度，又避免过厚导致应力集中。

与工程实践的对比思考

在实际掘进机截齿修复与强化中，传统工艺多采用整体更换或简单堆焊修复，前者成本高，后者耐磨性不足。等离子弧堆焊强化提供了一种"修复+强化"的集成方案：在修复齿体磨损尺寸的同时，通过堆焊耐磨层提高齿体表面的耐磨性，从而延长截齿的整体使用寿命。

从经济角度看，等离子弧堆焊强化的成本远低于整体更换截齿，且可重复修复多次。从技术角度看，低稀释率保证了堆焊层的耐磨性，窄热影响区保证了基体的力学性能，二者协同实现了"修复尺寸+强化性能"的双重目标。

学习心得与启示

这篇文献让我认识到：耐磨强化并非简单的"堆焊一层硬材料"，而是需要综合考虑磨损机理、堆焊层组织、稀释率控制与界面结合等多重因素。等离子弧堆焊的低稀释率特性，使其成为精密耐磨强化的理想工艺。在钢管和管件的耐磨堆焊修复中，尤其是承受磨料磨损与冲击磨损的部件，等离子弧堆焊的工艺优势值得深入挖掘与应用推广。同时，截齿修复的案例也为矿山机械、工程机械等领域的耐磨修复提供了可借鉴的技术路线。