采煤机截齿堆焊高速钢涂层的研究——文献学习体会

一、文献概况与工程需求

本文发表于《金属热处理》2004年第29卷第8期，作者来自山东科技大学机械电子工程学院材料系。研究通过堆焊技术将高速钢耐磨焊条涂覆在采煤机截齿基体上，使涂层与基体形成冶金结合。采煤机截齿是综采工作面最关键的工作部件，直接承受煤岩的冲击和磨蚀，其耐磨性能直接影响采煤效率和设备维护成本。截齿的磨损形式以磨粒磨损为主，兼有冲击磨损，要求表面具有高硬度、高耐磨性和一定的韧性。

二、高速钢涂层的成分设计与强化机制

2.1 高速钢涂层的成分特征

研究指出，堆焊涂层的成分类似于高速钢。高速钢的典型成分包含W、Mo、Cr、V、C等元素，其强化机制多元且协同作用。在堆焊条件下，高速钢成分的涂层的强化机制可归纳为以下四类：

2.2 高速钢涂层中碳化物的类型与分布

高速钢中的碳化物是硬度的主要贡献者。在堆焊涂层的快速凝固条件下，碳化物的形态和分布与铸态高速钢有所不同。堆焊涂层的碳化物通常更细小、分布更均匀，这是因为快速凝固抑制了碳化物的粗化和偏聚。碳化物类型主要包括MC型（如VC、WC）和M₆C型（如Fe₃W₃C），前者硬度更高，后者数量更多。

三、涂层显微组织特征分析

3.1 组织组成与形成机理

研究结果表明，最终的涂层组织由网状莱氏体、马氏体、回火马氏体和下贝氏体组成。这一多元组织特征反映了堆焊过程中的复杂相变过程：

1. 网状莱氏体：在堆焊层表面区域，由于碳和合金元素的富集，形成了共晶莱氏体组织。莱氏体中的碳化物呈网状分布，是涂层硬度的主要来源之一。
2. 马氏体：快速冷却条件下，奥氏体发生无扩散相变形成马氏体。马氏体的硬度取决于其碳含量和合金元素的固溶强化效应。
3. 回火马氏体：在后续焊接热循环或焊后热处理过程中，部分马氏体发生回火，形成回火马氏体。回火马氏体的硬度略低于原始马氏体，但韧性有所改善。
4. 下贝氏体：在中等冷却速率条件下，奥氏体发生贝氏体相变，形成下贝氏体组织。下贝氏体具有较好的强韧性匹配。

3.2 组织分布的梯度特征

在堆焊涂层中，不同组织通常呈现梯度分布特征：靠近表面区域以莱氏体和马氏体为主，硬度最高；靠近熔合线区域以下贝氏体和回火马氏体为主，硬度相对较低但韧性较好。这种梯度分布有利于涂层承受冲击载荷时避免脆性剥落。

四、工程应用中的关键问题

4.1 涂层与基体的结合强度

采煤机截齿在工作中承受剧烈的冲击载荷，涂层与基体的结合强度是决定涂层服役寿命的关键因素。堆焊涂层与基体的冶金结合强度取决于熔合区的组织特征和界面结合质量。在实际生产中，可通过以下措施提高结合强度：

1. 严格控制焊接热输入，避免熔深过大导致基体过度熔化；
2. 采用多层堆焊工艺，使熔合区组织逐步过渡，减少应力集中；
3. 堆焊前对基体进行适当预热，降低热应力；
4. 堆焊后进行适当的热处理，消除残余应力。

4.2 截齿堆焊的现场实施要点

采煤机截齿的堆焊修复通常在煤矿现场或矿区维修车间进行，受场地条件和设备限制，工艺实施面临诸多挑战：

• 设备限制：现场通常仅有手工电弧焊设备，难以实现等离子堆焊等先进工艺，需根据现有设备条件优化工艺参数。
• 环境因素：煤矿现场环境温度低、湿度大、粉尘多，需加强焊材保护和焊前清理。
• 质量检验：现场缺乏完善的无损检测设备和金相分析条件，需依靠外观检查和硬度测试进行质量控制。
• 时效性要求：截齿更换频繁，堆焊修复需在短时间内完成，对焊接效率提出较高要求。

4.3 涂层耐磨寿命的评估

高速钢涂层的耐磨性能通常通过实验室磨耗试验进行初步评估，但实际工况下的磨损寿命受煤岩硬度、截齿载荷、工作速度等多种因素影响。建议在实际应用中建立"实验室数据+现场跟踪"的评估体系，通过对比不同批次涂层的现场磨损数据，逐步建立涂层寿命预测模型。

五、总结

本文通过研究高速钢耐磨焊条在采煤机截齿上的堆焊涂层，揭示了高速钢涂层中网状莱氏体、马氏体、回火马氏体和下贝氏体的多元组织特征，阐明了固溶强化、位错强化、弥散强化和细晶强化的协同作用机制。高速钢涂层的成分设计和强化机制使其具有高硬度和优异的耐磨性能，适用于采煤机截齿等承受强烈磨粒磨损的工况。该研究虽发表于2004年，但高速钢涂层的基本强化原理和工程应用思路至今仍然有效，对煤矿截齿、矿山机械耐磨件的堆焊修复具有持续的参考价值。在实际应用中，需综合考虑涂层硬度、韧性、结合强度和耐磨寿命的平衡，选择最优的焊材和工艺参数。