CN101323944B - 采煤机截齿的硼碳共渗微合金化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采煤机截齿的硼碳共渗微合金化方法，截齿材料采用35CrMo合金钢，所述方法包括以下工艺步骤：步骤一、酸洗；步骤二、渗碳、钛、锰处理：将渗碳剂和氧化镧粉搅拌均匀后置于渗箱内，将钛粉和锰粉涂覆于截齿齿尖截削部位，将截齿垂直放置于渗箱内，压实密封，将渗箱置于加热炉内，升温至650℃±10℃，保温1.5～2.5小时，然后加温至910℃±10℃，保温8～10小时，降温到850℃±10℃，保温1.5～2.5小时后降温至800℃以下出炉，冷却至常温后开箱，步骤三、渗硼、钨、铬处理；步骤四、盐浴处理；步骤五、退火处理；步骤六、回火处理；步骤七、喷丸处理。本发明方法能使采煤机截齿头部强度、硬度和高温耐磨性更高、截齿柄部不易折断。

Description

采煤机截齿的硼碳共渗微合金化方法

技术领域

本发明涉及一种采煤机截齿，尤其是涉及一种硼碳共渗微合金化采煤机截齿的方法。属煤碳机械制造技术领域。

背景技术

截齿是采煤机上的重要零件，也是采煤机上消耗最大、最容易损坏的零件。因此其强度、硬度的高低以及耐磨性的好坏将直接影响截齿的使用寿命。

CN200710156941.4公开了一种《采煤机截齿表面处理工艺》。它是采用35CrMoV作基材，经锻压、金加工定型后，再进行以下表面处理：

(1)渗碳处理

将截齿垂直放置于充满碳粉的渗箱内，压实，加盖并密封；

将渗箱置于加热台车炉内，升温至650℃，保温4～5小时，然后加温至900℃，保温8～9小时，降温到850℃，保温2小时后降温至800℃以下出炉，冷却至常温后开箱；

(2)渗硼、钼、铬处理

按质量比将占组份76～82％的渗硼剂，2～4％的钼粉，15～17％的铬粉，搅拌均匀后置于渗箱内，然后将经渗碳处理的截齿垂直放置于渗箱内，压实，加盖并密封；

将渗箱置于加热炉内，加温到650℃，保温4～5小时，然后加温至900℃，保温8～9小时，降温至800℃以下出炉，冷却至常温后开箱；

(3)盐浴处理

在盐浴炉内加入按质量比占组份72～75％的氧化钡，20～24％的非碘精盐，4～6％的盐浴脱氧剂搅拌均匀，将炉内温度上升至860℃，然后把经渗硼、钼、铬处理后的截齿放入盐浴炉，待加工件温度上升至炉温时，放入淬火油箱内，冷却后取出；

(4)退火处理

将经盐浴处理后截齿的柄部置于退火炉内，待色温呈黄色即约500℃时取出，自然冷却；

(5)回火处理

将经退火处理后的截齿放入井式回火炉内，升温至180℃后保温6～7小时，取出自然冷却。

经过上述表面处理的截齿，其洛氏硬度达到HRC62以上，维氏硬度达到HV1800～2200，渗透层厚度达到1.5mm以上，截齿的使用寿命达400小时以上。

但是，上述处理方法还是存在有以下不足之处：

1、采用纯碳粉进行渗碳处理，碳粉渗入速度慢，渗碳层组织不够致密；晶粒不够细化，淬透性不高，渗碳不够深入和强度不够高，渗碳层与基材的结合和表面渗硼层的结合不够牢固，容易出现截齿表面渗碳、渗硼层脱落的问题。

2、渗硼、钼、铬处理渗硼层组织不够致密，强度和高温耐磨性不够高。

3、采煤机截齿在使用过程中还有一个失效形式为截齿柄部出现折断，这是由于在渗硼时，硼碳共渗合金中只对截齿头部进行渗硼，而对于截齿柄部，仅进行退火处理，这种热处理方式会引起截齿柄部脱碳或渗碳导致碳含量过高。

4、在渗硼工序中，在900℃渗硼时间保温时间为8-9小时，渗硼时间为不合理，超过6小时不仅不会使渗硼层有效增加，带来浪费，并且过长的时间会导致晶粒粗大、渗硼层碎性加大、易剥落，从而影响最终工件品质。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种采煤机截齿头部强度、硬度和高温耐磨性更高、截齿柄部不易折断的采煤机截齿的硼碳共渗微合金化方法。

本发明的目的是这样实现的：一种采煤机截齿的硼碳共渗微合金化方法，其特征在于所述截齿材料采用35CrMo合金钢，所述方法包括以下工艺步骤：

步骤一、酸洗

将所述截齿用稀盐酸浸泡，浸泡时间为10-15分钟，去除表面油脂及污物；

步骤二、渗碳、钛、锰处理

将渗碳剂和氧化镧粉搅拌均匀后置于渗箱内，将钛粉和锰粉混合均匀后均匀涂覆于截齿齿尖截削部位，然后将涂覆钛粉和锰粉后的截齿垂直放置于渗箱内，压实，加盖并密封，

将渗箱置于加热炉内，升温至650℃±10℃，保温1.5～2.5小时，然后加温至910℃±10℃，保温8～10小时，降温到850℃±10℃，保温1.5～2.5小时后降温至800℃以下出炉，冷却至常温后开箱，清除截齿表面杂质，

所述各组份的质量百分比为：

渗碳剂92～98％

氧化镧粉1～6％

钛粉0.5～1％

锰粉0.5～1％；

步骤三、渗硼、钨、铬处理

将碳化硼、氟硼酸钾、氧化镧粉、钨粉、铬粉、氧化铝粉和碳化硅粉搅拌均匀后置于渗箱内，然后将经渗碳处理的截齿垂直放置于渗箱内，压实，加盖并密封，

在渗硼时，硼碳共渗合金中只对截齿头部进行渗硼，而对于柄部，进行碳保护，具体就是在截齿柄部的密封空间内加入碳，在高温作用下将密封空间内的氧气燃烧掉，使密封空间内形成一个二氧化碳、氮气以及碳原子蒸气和少量惰性气体组成的高温气团，

将渗箱置于加热炉内，加温到650℃±10℃，保温1.5～2.5小时，然后加温至910±10℃，保温4～5小时，降温至800℃以下出炉，冷却至常温后开箱，清除截齿表面杂质，

所述各组份的质量百分比为：

碳化硅30～60％

碳化硼5～20％

氟硼酸钾10～20％

氧化镧粉2～6％

钨粉1～2％

铬粉3～8％

氧化铝10～20％；

步骤四、盐浴处理

在盐浴炉内加入按质量百分比占组份72～75％的氧化钡，20～24％的非碘精盐，4～6％的盐浴脱氧剂，搅拌均匀，

将炉内温度上升至860℃±10℃，然后把经渗硼、镧、钨、铬处理后的截齿放入盐浴炉，待加工件温度上升至炉温时，保温25～35分钟，然后放入淬火油箱内，冷却后取出，冷却介质为32#机械油；

步骤五、退火处理

将经盐浴处理后截齿的柄部置于退火炉内，退火温度为860℃±10℃，时间为10～20秒，取出自然冷却；

步骤六、回火处理

将经退火处理后的截齿放入井式回火炉内，升温至180～260℃后保温8～10小时，取出自然冷却；

步骤七、喷丸处理

将经回火处理后的截齿放入喷丸机内，喷丸时间1.5～2.5分钟，去除表面残余应力，并去除表面氧化皮及杂质。

本发明渗碳各组份配方的确定：合金元素的过多增加，会使渗硼层变薄且结合力减弱。钢的渗硼层一般由硼化物层和扩散层组成，其层深较浅，一般只有几十到一百多微米，硼化物层一般为单相的Fe2B或复相的Fe2B加FeB，FeB在表层，硬而脆，Fe2B处于其下层，硬而不脆，常以犬牙状插入基体，使硼化物层不易脱落，但钢中合金元素及碳含量增加，硼化物层变薄，犬牙状插入程度减弱，渗层与基体结合力下降；同时含硅合金钢渗硼后易出现铁素体软带，这种组织强度很低，当渗硼层承受较大力时，易压陷而剥落。本发明在渗硼前先实行渗碳和微量合金元素的渗入，以增强其基体的强度，一般来说，单相的Fe2B组只硬而不脆，而FeB组织硬而脆，所以对于要求耐磨且受冲小的工件，倾向于获得FeB加Fe2B的双相组织，基于以上原因，合金元素加入量不宜过高。因此，钛粉和锰粉含量均控制在0.5～1％为宜。

本发明渗硼各组份配方的确定：经有关试验，碳化硼随其含量的增加，其渗硼层深度先减少而后增大，氟硼酸钾随其含量增加，其渗硼层深度一直减少，氧化镧随其含量增加渗硼层深度先是增加而后减少，氧化铝随其含量增加层深增加。在如下含量范围内选取是可行的：碳化硼提供硼原子的能力大大高于硼铁，其含量要求比硼铁少，一般为5-20％，氧化镧粉末，含量最多达6％即可，再多作用不大而造成浪费，氟硼酸钾一般含量10-20％，氧化铝一般含量为10-20％，经试验较佳配比为：碳化硼含量为10％，氟硼酸钾含量为12％，氧化铝粉含量为10％，氧化镧粉含量2％，余量为碳化硅。作为渗硼剂配方，所得渗硼层层深及其金相组织达最佳效果，其表层为FeB下层为Fe2B，且组织致密牢固，耐磨性好。金属铬粉的加入并不能增加渗硼层的深度，相反会降低其层深，但会使渗硼层组织更加致密，其过多又会使渗硼层脆而剥落，在本配方中8％是其最大限度，本配方选取金属铬粉含量为3％；金属钨也不会使渗硼层深增加，但在高温时其耐磨性大大增加，同时其价格达近400元每公斤，本组配方选取金属钨粉含量为1％。

本发明具有如下优点：

1、在渗碳剂中加入有氧化镧作为渗碳促进剂，催进碳原子进入截齿基体，它不仅能使渗碳剂渗入截齿基体的速度加快，而且还可以使渗碳层组织更致密；在渗碳剂中加入有钛粉，钛粉在截齿基体中作为亲碳元素，能细化晶粒，提高淬透性，并能强化铁素体使塑性提高，从而使渗碳更深入和强度更高；在渗碳剂中加入有锰粉，能大大提高淬透性，使渗碳更深入和强度更高，并能阻碍碳化物的形成。因此，这些组分的加入，不仅使渗碳层深度和强度增加，而且与基材的结合更牢固，与表面渗硼层结合更牢固。因为渗硼层很薄容易出现表面脱落的问题。

2、渗硼剂选用碳化硼提供硼原子，提供能力大大超过硼铁；氟硼酸钾作为渗硼促进剂，碳化硅作为填充剂，氧化铝作为还原剂，金属铬能提高淬透性，并能细化晶粒，提高回火稳定性。渗硼剂中增加氧化镧能使硼原子更有效进入截齿基体，并能形成致密硼化物从而使渗硼层组织致密，强度更高；渗硼剂中增加金属钨不仅能提高硬度、强度，并能使高温耐磨性和强度提高。这是为因对于采煤机截齿，由于连续与煤层强烈磨擦，会在截齿表面产生很高的温度，从而使硬度、强度和耐磨性显著下降，影响其使用寿命，加入钨后能明显提高其高温性能，从而提高其使用寿命。

3、由于采煤机截齿在使用过程中还有一个失效形式为截齿柄部出现折断。本发明对截齿柄部进行韧性处理。工艺实施过程：在渗硼时，硼碳共渗合金中只对截齿头部进行渗硼，而对于柄部，进行碳保护方案，具体就是在截齿柄部的密封空间内加入少量的碳，在高温作用下将密封空间内的氧气燃烧掉，使密封空间内形成一个二氧化碳、氮气以及碳原子蒸气和少量惰性气体组成的高温气团，其中碳原子对截齿杆部形成保护，使其不至于脱碳，二氧化碳、氮气和少量惰性气体能对截齿柄部形成保护，少量的氮能适当提高钢的强度。

4、在渗硼工序中，在900℃渗硼时间保温时间为4～6小时，渗硼层晶粒致密，不易剥落。

5、本渗碳、渗硼前多了酸洗工序，这道工序看似简单，其实作用大。工件表面杂质等对渗硼渗碳影响很大。一方面杂质会阻碍渗硼渗碳过程中硼碳等原子进入工件基体，并导致工件表面硬度和耐磨性不均匀；另一方面杂质中的有害物质进入工件基体，对以后进一步热处理带来危害，最终影响工件质量。

综上，本发明方法能使采煤机截齿头部强度、硬度和高温耐磨性更高，截齿柄部不易折断，其截齿头部洛氏硬度达到HRC63～67，截齿柄部洛氏硬度达到HRC38～42，这样大大提高了采煤机截齿整体使用寿命，提高采煤机的工作效率，节省了采煤生产成本。

具体实施方式

本发明涉及的采煤机截齿的硼碳共渗微合金化方法，截齿材料采用35CrMo合金钢，所述方法包括以下工艺步骤：

步骤一、酸洗

将所述截齿用稀盐酸浸泡，浸泡时间为10-15分钟，去除表面油脂及污物。

步骤二、渗碳、钛、锰处理

将渗碳剂和氧化镧粉搅拌均匀后置于渗箱内，将钛粉和锰粉混合均匀后均匀涂覆于截齿齿尖截削部位，然后将涂覆钛粉和锰粉后的截齿垂直放置于渗箱内，压实，加盖并密封。

将渗箱置于加热炉内，升温至650℃，保温2小时，然后加温至910℃，保温8小时45分钟，降温到850℃，保温2小时后降温至800℃以下出炉，冷却至常温后开箱，清除截齿表面杂质。

在渗硼时，硼碳共渗合金中只对截齿头部进行渗硼，而对于柄部，进行碳保护，具体就是在截齿柄部的密封空间内加入碳，在高温时将密封空间内的氧气燃烧掉，使密封空间内形成一个二氧化碳、氮气以及碳原子蒸气和少量惰性气体组成的高温气团。

所述各组份的质量百分比为：

渗碳剂92～98％

氧化镧粉1～6％

钛粉0.5～1％

锰粉0.5～1％。

步骤三、渗硼、钨、铬处理

将碳化硼、氟硼酸钾、氧化镧粉、钨粉、铬粉、氧化铝粉和碳化硅粉搅拌均匀后置于渗箱内，然后将经渗碳处理的截齿垂直放置于渗箱内，压实，加盖并密封。

将渗箱置于加热炉内，加温到650℃，保温2小时，然后加温至910，保温4～5小时，降温至800℃以下出炉，冷却至常温后开箱，清除截齿表面杂质。

所述各组份的质量百分比为：

碳化硅30～60％

碳化硼5～20％

氟硼酸钾10～20％

氧化镧粉2～6％

钨粉1～2％

铬粉3～8％

氧化铝10～20％。

步骤四、盐浴处理

在盐浴炉内加入按质量百分比占组份72～75％的氧化钡，20～24％的非碘精盐，4～6％的盐浴脱氧剂，搅拌均匀。

将炉内温度上升至860℃，然后把经渗硼、镧、钨、铬处理后的截齿放入盐浴炉，待加工件温度上升至炉温时，保温30分钟，然后放入淬火油箱内，冷却后取出，冷却介质为32#机械油。

步骤五、退火处理

将经盐浴处理后截齿的柄部置于退火炉内，退火温度为860℃，时间为15秒，取出自然冷却；

步骤六、回火处理

将经退火处理后的截齿放入井式回火炉内，升温至180～260℃后保温时间不少于8小时，取出自然冷却；

步骤七、喷丸处理

将经回火处理后的截齿放入喷丸机内，喷丸时间2分钟，去除表面残余应力，并去除表面氧化皮及杂质。

本发明方法制造的截齿头部由表及里从理论上可以理解为三层：表层材料主要组织成分硼化物及高合金化合物组成的高硬度、高耐磨层；中间层为高碳马氏体及合金化合物。当表层磨损时，中间层也具备足够的硬度和耐磨性。底层为低碳马氏体复合成份组织，具有足够的韧性。这三层之间没有明确的分层，由表及里硬度均匀递减，如此设计是由于渗硼和表面合金化层硬度高、耐磨性好，但深度较浅(仅为60-90微米)，而中渗碳层深度较深，不仅硬度较高、耐磨性好，并能充分与表层及基体实现硬度均匀递减。

本发明采煤机截齿显微组织，截齿齿尖部表层组织为硼化物，其下为高碳马氏体，下层组织为低碳马氏体混合物。

本发明的有益效果是：经过上述表面处理的截齿，其截齿头硬度HRC63-67，齿杆部硬度HRC38-42。

经过上述处理，大提高了截齿表面硬化耐磨层深度和硬度，层深可达2mm，硬度可达HRC63以上，从而使耐磨性大大提高，同时保证其韧性，从而显著提高使用寿命，使用寿命可达500小时以上。

Claims (1)

1.一种采煤机截齿的硼碳共渗微合金化方法，其特征在于所述采煤机截齿材料采用35CrMo合金钢，所述方法包括以下工艺步骤：

步骤一、酸洗

将所述采煤机截齿用稀盐酸浸泡，浸泡时间为10-15分钟，去除表面油脂及污物；

步骤二、渗碳、钛和锰处理

将渗碳剂和氧化镧粉搅拌均匀后置于渗箱内，将钛粉和锰粉混合均匀后均匀涂覆于采煤机截齿齿尖截削部位，然后将涂覆钛粉和锰粉后的采煤机截齿垂直放置于渗箱内，压实，加盖并密封，

将渗箱置于加热炉内，升温至650℃±10℃，保温1.5～2.5小时，然后加温至910℃±10℃，保温8～10小时，降温到850℃±10℃，保温1.5～2.5小时后降温至800℃以下出炉，冷却至常温后开箱，清除采煤机截齿表面杂质，

所述各组份的质量百分比为：

渗碳剂92～98％

氧化镧粉1～6％

钛粉0.5～1％

锰粉0.5～1％；

步骤三、渗硼、镧、钨和铬处理

将碳化硼、氟硼酸钾、氧化镧粉、钨粉、铬粉、氧化铝粉和碳化硅粉搅拌均匀后置于渗箱内，然后将经渗碳、钛和锰处理的采煤机截齿垂直放置于渗箱内，压实，加盖并密封，

将渗箱置于加热炉内，加温到650℃±10℃，保温1.5～2.5小时，然后加温至910±10℃，保温4～5小时，降温至800℃以下出炉，冷却至常温后开箱，清除采煤机截齿表面杂质，

在渗硼、镧、钨和铬处理时，所述碳化硼、氟硼酸钾、氧化镧粉、钨粉、铬粉、氧化铝粉和碳化硅粉共渗原材料只对采煤机截齿头部进行渗硼、镧、钨和铬处理，而对于柄部，进行碳保护，具体就是在采煤机截齿柄部的密封空间内加入碳，在高温作用下将密封空间内的氧气燃烧掉，使密封空间内形成一个二氧化碳、氮气以及碳原子蒸气和少量惰性气体组成的高温气团，

所述各组份的质量百分比为：

碳化硅30～60％

碳化硼5～20％

氟硼酸钾10～20％

氧化镧粉2～6％

钨粉1～2％

铬粉3～8％

氧化铝10～20％；

步骤四、盐浴处理

在盐浴炉内加入按质量百分比占组份72～75％的氧化钡、20～24％的非碘精盐和4～6％的盐浴脱氧剂，搅拌均匀，

将炉内温度上升至860℃±10℃，然后把经渗硼、镧、钨和铬处理后的采煤机截齿放入盐浴炉，待加工件温度上升至炉温时，保温25～35分钟，然后放入淬火油箱内，冷却后取出；

步骤五、退火处理

将经盐浴处理后采煤机截齿的柄部置于退火炉内，退火温度为860℃±10℃，时间为10～20秒，取出自然冷却；

步骤六、回火处理

将经退火处理后的采煤机截齿放入井式回火炉内，升温至180～260℃后保温8～10小时，取出自然冷却；

步骤七、喷丸处理

将经回火处理后的采煤机截齿放入喷丸机内，喷丸时间1.5～2.5分钟，去除表面残余应力，并去除表面氧化皮及杂质。