煤礦采掘設備關鍵零部件的磨損機理及表面強化技術

郭 瑜

（臨縣煤炭糾察隊， 山西 呂梁 033200）

引言

在煤礦實際的采掘條件下，煤礦機械零部件磨損基本上都是出現在表面或者是從表面開始，因此增強材料的表面性能，不僅可以延長零部件使用壽命還可以提高采掘效率。往往傳統零部件是根據整體均勻性原則進行設計的，機械零部件都由不同原因進行不同程度的磨損，由于磨損產生失效現象，當此現象發生時，不僅影響采掘進度及效率，也造成極大的經濟損失，嚴重會造成不同程度的安全事故。所以在設計中不僅要保證零部件的性能還要提高其表面的性能，結合這種基礎設計理念，研究各種對材料表面處理的技術[1]，從而提高機械零部件使用壽命。

1 煤礦機械零部件的磨損失效分析

結合煤礦機械設備及零部件實際狀況進行分析，煤礦機械采掘作業中失效現象往往是由磨料磨損與腐蝕磨損兩種磨損形式造成的。

1.1 磨料磨損

磨料磨損主要是指相對較硬的物質與摩擦表面進行接觸運動的過程中使表面材料發生耗損的現象。煤炭作為一種特殊的機械磨料，煤礦機械零部件大多是因為磨料磨損而失效，根據相關數據表明，煤礦機械設備磨損70%以上都是磨料磨損所造成的。煤炭是一種混合磨料，其相應的成分及相應的硬度不同，造成磨損程度也不同。

因為煤炭屬于一種混合磨料，并存在著軟磨料及硬磨料，因此在進行磨料過程中所存在的磨損方式也極其復雜。如圖1所示，磨料在進行與機械零部件摩擦時所產生的作用力可分為法向力與切向力。因為這種切削的寬度與深度都相對較小，并產生的切屑也比較小，因此稱為微觀切削。往往在煤礦機械磨損過程中微觀切削機理是其中最主要的磨損機制，因為在一定的載荷條件下，相對硬度較低的材料會被磨料壓入深度相對較大，因此切削量也隨之較大，磨損率達到最高[2]。

圖1 微觀切削機理模型

還有一種叫多次塑性變形磨損機理，如圖2所示，根據分析這種多次塑性變形磨損機理可以得知，材料自身表面的多次塑性變形引起材料晶格發生畸變，當畸形到一定程度時，其表面失去塑性變形能力，并且其脆性顯著增大，因此，在經過沖擊力的過程后會斷裂成磨屑。

圖2 多次塑性變形磨損機理模型

1.2 腐蝕磨損

腐蝕磨損是指在作業中兩物體表面產生摩擦在氣體或液體等的作用下，產生化學反應，在機械表面形成腐蝕產物并在摩擦的過程中脫落，然后在新的表面又一次發生化學現象，反復的腐蝕與磨損的過程稱之腐蝕磨損。

2 機械零部件表面強化技術

2.1 等離子熔覆技術

零部件磨損常常是在零件表面所發生的，因此結合材料進行表面工程技術改善，可以通過增強零部件表面的性能達到提高設備耐磨及耐腐蝕的目的。等離子束表面改性技術是一種根據等離子焊接、等離子噴涂和激光熔覆等技術進行改善的新型表面強化技術。其技術是以壓縮等離子束作為熱源，進行基體表面上熔覆處理，從而能夠提高基體材料表面的耐磨性、耐腐蝕性等。如果對自由電弧強迫進行壓縮，使弧柱中氣體幾乎全部達到電離狀態的電弧，稱之為等離子弧，如圖3所示。等離子弧具有溫度高、能量密度大、融透力比較強、形態上近似圓柱形，可以保證整個弧長上都能在高溫狀態下、穩定性好、極強的機械沖刷力等特點。等離子弧是以三種形式所體現的：非轉移型，在離子弧產生在鎢極與噴嘴正負極之間，在離子氣流的壓送下，弧焰從噴嘴中噴出，形成等離子弧，其溫度可達到兩萬攝氏度；轉移型，在等離子產生在鎢極與工件正負極之間，但由于轉移弧難于直接形成，因此必須先引燃非轉移弧然后再過度到轉移弧，其溫度可達到三萬攝氏度；聯合型，如果在工作時轉移弧與非轉移弧同時存在，則稱之為聯合型轉移弧。

2.2 等離子熔覆技術的優越性

在表面工程技術應用各種技術中，激光熔覆設備費用較高、火焰噴涂過程嚴重污染環境等缺點，在廣泛應用中并不占有優勢。等離子熔覆技術與激光熔覆相似，可以達到瞬間融化并快速凝固的過程，同時還具有組織細化及沉淀強化等作用。和激光熔覆相比，有著與激光形似的能量密度，電熱的轉化效率相對較高，并且發生裝置簡單，成本低，對工作環境要求低，具有比較優越的性價比。如表1所示，等離子熔覆與激光熔覆的各指標對比。因為等離子束改性技術擁有多種使用優點，因此在目前該領域中得到了良好的發展。利用轉移型常壓等離子束對鋼和鑄鐵進行表面處理的技術，已經被廣泛應用到相關行業的機械零部件磨損上，并可以對工件的形狀、所處工作環境條件等因素進行調整等離子發生器的結構，從而有效提高工作效率及工作質量，進而提升經濟效益[4]。

3 結語

圖3 等離子弧產生示意圖

表1 離子熔覆與激光熔覆的各指標對比

因為開采煤炭是在井下進行工作，并且環境惡劣，煤礦機械就在這種惡劣的環境下進行工作停機時間會比較短，因此相關機械零部件得不到良好的維護，從而使相關采掘設備出現嚴重磨損現象。因此，有必要采取相應的措施進行防治并減少機械零部件磨損失效，等離子熔覆技術可以有效強化機械零部件磨損，從而增加零部件使用壽命,提高煤礦采掘工作效率和經濟效益。