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王学成1，闫献国2，董 良1，2
(1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024)
摘 要：选取YG8硬质合金作为掘进机截齿齿尖材料，以提高YG8硬质合金维氏硬度为目的，采用L16(45)正交试验设计法对深冷回火工艺参数进行优化，分析不同的深冷温度、深冷速度、深冷时间、回火温度和回火次数对YG8硬质合金维氏硬度的影响，采用极差法得出最优工艺参数组合。研究结果表明，深冷回火处理对YG8硬质合金的显微维氏硬度的影响范围是-15.96～53.02 HV1，最大增幅为4.35%。深冷回火处理工艺参数对YG8硬质合金维氏硬度影响的顺序是深冷速度>回火次数>深冷温度>深冷时间>回火温度，最优工艺参数组合为深冷速度3 ℃/min、深冷温度-160 ℃、深冷时间12 h、回火温度150 ℃、回火次数4次。深冷处理可促使黏结相致密收缩，这对YG8硬质合金硬度的提高有所帮助。
关键词：掘进机截齿；YG8硬质合金；深冷回火处理；正交试验设计；维氏硬度
中图分类号：TG156.91 TD421
文献标志码：A
文章编号：0253-2336(2019)06-0045-05
WANG Xuecheng1,YAN Xianguo2，DONG Liang1,2
(1.Taiyuan Research Institute Co., Ltd.，China Coal Technology Engineering Group, Taiyuan 030006，China;2.Department of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024，China)
Abstract:YG8 cemented carbide was selected as the pick tipping material of the roadheader.For the purpose of improving the Vickers hardness of YG8 cemented carbide, the parameters of cryogenic tempering were optimized by orthogonal design method, and the effects of different cryogenic temperature, cryogenic speed, cryogenic time, tempering temperature and tempering times on the Vickers hardness of YG8 cemented carbide was obtained by the range method.The results show that the effect of cryogenictempering on the micro Vickers hardness of YG8 cemented carbide is -15.96～53.02 HV1, and the maximum increase is 4.35%.The order of influence of cryogenic tempering process parameters on Vickers hardness of YG8 cemented carbide is tempering times> cryogenic time> cryogenic speed>cryogenic temperature>tempering temperature,and the optimum process parameter combination is cryogenic speed of 3 ℃/min, cryogenic temperature -160 ℃, cryogenic time 12 h, tempering temperature 150 ℃, tempering times of 4.Cryogenic treatment can promote dense shrinkage of the binder phase, which contributes to the improvement of the hardness of YG8 cemented carbide.
Key words:rodheader pick;YG8 cemented carbide;cryogenic & tempering treatment;Orthogonal design;Vickers hardness
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王学成，闫献国，董 良.深冷回火处理对掘进机截齿齿尖硬度的影响研究[J].煤炭科学技术,2019,47(6)：45-49.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.06.007
WANG Xuecheng，YAN Xianguo，DONG Liang.Effect of cryogenic tempering treatment on hardness of pick tip of roadheader[J].Coal Science and Technology，2019，47(6)：45-49.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.06.007
收稿日期：2018-12-22
责任编辑：赵 瑞
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51675363)；山西省煤基重点科技攻关资助项目(MJ2014-03)
作者简介：王学成(1980—),男,山西吕梁人,副研究员。E-mail：wxc80@126.com
通讯作者：闫献国(1963—),男,山西寿阳人,教授,博士生导师。E-mail：yanxianguo@tyust.edu.cn
截割机构是掘进机关键性部件，提高截割效率的方法也在不断突破和优化。文献[1-3]是通过研究截割角度、截割线速度、截齿的分列排布等参数优化来实现截割性能的提升。文献[4-5]分析了截齿的失效方式并表明截齿性能的优劣对掘进机或采煤机的可靠性、安全性、经济性和寿命都存在影响。截齿作为掘进机上破岩落煤的主要刀具，一般是由硬质合金齿尖和合金钢齿座焊接而成。在我国煤矿的现场调研表明：齿尖因素在截齿各种失效因素中占据35%～45%的权重[6]，可见齿尖对截齿的使用寿命占据重要的影响权重和比例。硬度作为掘进机截齿性能的指标之一，是衡量截齿使用寿命的重要参数之一，笔者选取YG8硬质合金作为截齿齿尖材料，以深冷回火处理技术研究为手段, 通过优化深冷温度、深冷速度、深冷时间、回火温度、回火次数等参数来提高YG8硬质合金维氏硬度。深冷处理作为一种新型的热处理方式，一般是通过液氮来实现降温和保冷等过程，提高或改善材料的性能(拉伸强度、耐腐蚀性、硬度、尺寸稳定性、韧性、耐磨性等)。文献[7]提出目前关于硬质合金深冷工艺还不够成熟，对硬质合金深冷和应用技术还有待更深入的研究，比如保冷时间的长短对材料性能的影响程度上就持有不同的观点。文献[8]对YT15硬质合金刀具采取L9(34)四因素三水平的正交试验方案进行深冷回火处理，使其洛氏硬度提高。笔者采用更多的因素和水平探索深冷回火处理对硬质合金的影响权重。另外文献[9-12]也对不同类型硬质合金深冷回火处理后的宏观性能及微观组织进行分析和介绍，但不同的工艺组合对硬质合金也有不同程度的影响，故本文旨在研究和优化深冷回火工艺组合对YG8硬质合金的维氏硬度和相组织的影响，为提高掘进机截齿硬质合金材料质量水平提供理论和试验基础。
选取YG8硬质合金作为截齿齿尖材料，主要化学成分是92 wt.% WC、8 wt.% Co和其他微量元素。通过 XKG-10D.CNC型数控线切割机将ø40 mm的棒料切割为ø40 mm×5 mm 的圆柱型试样。本试验方案采用L16(45)正交试验设计(即5个因素4个水平，因素水平表见表1)，共计17组(每组1个试样)，0号试样作为对比试样不做任何深冷和回火处理，1—16号试样按图1和表2所示的工艺流程和具体方案进行深冷回火试验。
深冷处理试验在 KDSL-1 型深冷罐中完成，回火处理在HMX1600-30箱式气氛炉中完成。深冷和回火处理后通过磨床使试样表面的粗糙度≤0.6 μm，平行度≤0.01 mm,最后对试样进行抛光处理。笔者采用维氏硬度中的显微维氏硬度(Vickers microhardness)来表示YG8硬质合金的硬度值，硬度测试过程按国家标准 GB/T 4340.1—1999 执行。测试条件如下：采用10 N的载荷，保载时间10 s，测试过程中在试样表面选择不同区域的5个点，将测得的5个数值求平均值后作为最终硬度取值,具体结果见表2。微观相组织的分析：先用线切割将深冷回火处理后的圆柱型试样切割成4 mm×4 mm×5 mm的金相试样，用金刚石喷雾抛光剂在抛光机的绒布上抛光至“镜面”后，采用Murakami 腐蚀剂(等量的10%～20%KOH氢氧化钾和10%～20%K3[Fe(CN)6]铁氰化钾混合水溶液)腐蚀30 s左右，最后采用VEGA3 SBH扫描电子显微镜(SEM)拍摄并观察相组织的变化。
图1 深冷处理工艺流程
Fig.1 Process of cryogenic treatment technic
表1 深冷回火处理因素水平
Table 1 Cryogenic & tempering factor level
由表2结果可知，在经过L16 (45)深冷回火工艺处理后的YG8硬质合金(截齿齿尖)试样中，1号和16号工艺的试样比0号工艺(未处理)试样的显微维氏硬度小，而6、8、15、3、7、4、11、13、10、12、5、9、2和14号试样(共14种工艺)都比0号试样的显微维氏硬度高且依次增加，其中硬度最大的14号试样比0号试样增加52.02 HV1，相比增幅为4.35%。文献[13]中对牌号为YL20.3的硬质合金顶锤材料深冷处理后，显微硬度从1 610 HV1升高至l 689 HV1。文献[14]中对YT15硬质合金刀片进行深冷回火处理后，硬度提高了0.234～0.733 HRA，最大涨幅为0.81%。文献[15]中对不同碳含量的YG11硬质合金进行深冷处理，硬度分别提升了0.39%、0.06%和0.28。文献[16]中表明深冷处理对YG11C、YG20C和MB50A3的硬度几乎没有影响。文献[17]中硬度测试结果表明，深冷前后刀具材料(YT5)的HRA无变化，而深冷后刀具HV较处理前略有降低。说明有必要对深冷工艺进行优化，从而使截齿齿尖的相关性能得到最大化的提升。
表2 各组试样的显微硬度(HV1)
Table 2 Microhardness of samples in each group (HV1)
不同工艺因素对试样硬度的影响随着极差值的增大而增大，由表3可知，不同工艺因素对截齿齿尖维氏硬度的影响大小依次为：回火次数>深冷时间>深冷速度>深冷温度>回火温度。深冷温度因素列为k3> k4> k2> k1；深冷速度因素列为k2>k1>k4>k3；深冷时间因素列为k3> k2> k4> k1；回火温度因素列为k1> k2> k4> k3；回火次数因素列为k4> k2> k3> k1。
k值大小可以判断因素的优水平，试验指标(硬度)越大越好，故而选择5个因素(深冷速度、深冷温度、深冷时间、回火次数、回火温度)的k1、k2、k3、k4中最大值所对应的值。根据表3可知，优水平分别为：深冷速度3 ℃/min、深冷温度-160 ℃、深冷时间12 h、回火次数4次、回火温度150 ℃。优组合为深冷速度3 ℃/min、深冷温度-160 ℃、深冷时间12 h、回火温度150 ℃、回火4次。不同因素对试样维氏硬度的影响趋势如图2所示。
1)图2a为深冷温度对截齿齿尖硬度的影响趋势，深冷处理后比未深冷的试样硬度普遍提高，在4种深冷温度中，-160 ℃对硬度提高的影响最大，其中在-20～-160 ℃范围内，硬度随温度的降低而增加，在-130～-160 ℃阶段对硬度的影响增幅要比20～-80 ℃和-80～-130 ℃的大。但在-160～-196 ℃阶段，硬度却随温度的降低而降低。
2)图2b为深冷速度对截齿齿尖硬度的影响趋势，从图中可发现，4种深冷速度相较于未深冷对硬度都有提高，其中在深冷速度为1～3 ℃/min范围内，硬度随着深冷速度的增加而增加，但在3～10 ℃/min范围硬度却比3 ℃/min降低很多，这表明过快的深冷速度会降低硬质合金的硬度。
表3 深冷回火处理试验方案及结果分析
Table 3 Cryogenic & tempering tempering treatment test plan and result analysis
注：K1—K4第1列数值分别为所有深冷温度在-80、-130、160、-196 ℃的试样显微硬度之和，其他类同；k1—k4分别为K1—K4的平均值。
3)图2c为深冷时间对截齿齿尖硬度的影响趋势，从图中可以看出深冷2 h的硬度最低，随着深冷时间的增加，硬度普遍比未深冷的高，其中在深冷12 h的硬度最大。在2～12 h的深冷时间内，硬度随时间的增加而增加，但在12～24 h的深冷时间里，硬度随时间的增加而降低。深冷8 h和12 h的硬度要比深冷24 h的硬度高，所以并非深冷时间越长对试样的硬度提高越大。相对比深冷处理的其他2个因素(深冷速度和深冷温度)，深冷时间对硬度的影响最大。
图2 YG8试样维氏硬度随深冷处理工艺变化趋势
Fig.2 YG8 sample Vickers hardness with cryogenic treatment process trends
4)图2d为回火温度对截齿齿尖硬度的影响趋势，回火温度作为5种因素里对硬度影响权重最小的因素，从图2d中可明显发现4种回火温度普遍比未回火的硬度高。回火温度为150 ℃时的硬度最大。在150～600 ℃的回火温度范围内，硬度随温度的增加而降低，可以得出结论如下：中、高温回火对硬度有消极的影响，而低温回火中，150 ℃的回火温度对截齿齿尖硬度的提高显然高于200 ℃的回火效果。
5)图2e为回火次数对截齿齿尖硬度的影响趋势，回火次数对硬度的影响权重要比回火温度、深冷温度、深冷时间大和深冷速度。从图2e可明显地发现无论回火几次都要比未回火的硬度高。其中回火4次的硬度最高，回火2次的硬度比回火1次高，但回火3次却使硬度降低，所以硬度与回火次数并非呈正比关系。
通过对比分析未深冷回火处理的0号试样和深冷处理后硬度提高最大的14号试样的SEM图，探索二者微观相组织的变化。0号和14号试样SEM图如图3所示。
截齿齿尖相组织主要是硬质相WC、黏结相Co和少量的η相碳化物。WC相腐蚀后呈乳白色，Co相腐蚀后呈黑色，η相刚腐蚀后呈橙红色，随着时间的推移颜色逐渐变暗呈现深褐色斑点状。对比2个试样的SEM图发现：14号试样的黏结相受冷收缩更加紧密，文献[18]研究表明深冷处理后硬质合金的黏结相含量会明显降低。硬质相的表面占有率相对增加，从而提升了YG8硬质合金的硬度。
图3 0号和14号试样SEM图
Fig.3 SEM images of samples No.0 and No.14
1)深冷回火处理对截齿齿尖的显微维氏硬度的影响范围是-15.96～53.02 HV1，相比未处理试样最大增幅为4.35%。
2)不同深冷回火工艺因素对截齿齿尖显微维氏硬度的影响顺序是回火次数>深冷时间>深冷速度>深冷温度>回火温度，最优工艺组合为深冷温度-160 ℃、深冷速度3 ℃/min、深冷时间12 h、回火温度150 ℃、回火4次。
3)合理的深冷回火处理工艺可促使YG8硬质合金中的黏结相致密收缩，从而有助于截齿齿尖硬度的提高。
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