深冷處理工藝對采煤機導向滑靴耐磨性的影響

常熟天地煤機裝備有限公司 江蘇常熟 215500

導向滑靴是采煤機底座上一種承受低速重載，對耐磨性要求極高的重要部件，起導向和支撐作用。國內外許多學者和采煤機生產廠家針對滑靴的耐磨性問題進行了大量研究，目前以堆焊耐磨材料以及對磨損層進行特殊工藝處理為主要研究方向，而采用何種合適的工藝技術提高其耐磨性，仍是現階段國內相關企業的研究重點與難點[1-3]。

筆者結合常熟天地煤機裝備有限公司現有試驗條件，以常用導向滑靴基體及耐磨材料為基礎，制作試樣，將被處理試樣置于 ZT120 型深冷試驗箱中，采用深冷處理工藝，使材料的微觀組織結構發生變化，并通過試驗測定深冷處理后試樣的耐磨性能，從而為新工藝的制定提供理論依據。

1 試驗方法

1.1 試樣準備

以導向滑靴常用 ZG35CrMnSi 為基材，耐磨表面采用 HS09 焊絲堆焊。采用線切割從滑靴割取材料，并加工成試樣，試樣尺寸：長度為 19.05±0.10 mm，寬度和高度均為 10.00±0.05 mm，其中耐磨層厚度為5 mm，基材厚度為 5 mm。對磨環選用刮板輸送機槽幫材料 ZG30MnSi，內徑為 16 mm，外徑為 30 mm，厚度為 10 mm。

深冷處理采用 ZT120 型深冷試驗箱，深冷處理工藝分為 2 種：

(1) 深冷處理溫度分別為 0、-30、-50、-70、-90 ℃，保溫時間為 2 h；

(2) 深冷處理溫度為 -50 和 -90 ℃，保溫時間分別為 1、2、3、4 h。

試樣編號及處理工藝如表 1 所列。

表1 試樣編號及處理工藝Tab.1 Sample number and treatment process

1.2 試驗儀器

洛氏硬度計、M2000 多功能磨損試驗機、OLYMPUS-PMG3 研究型倒置式金相顯微鏡。

1.3 試驗流程

試驗流程如圖1所示。

圖1 試驗流程Fig.1 Test flow

2 試驗結果及分析

2.1 深冷溫度對導向滑靴組織和性能的影響

研究深冷溫度對滑靴耐磨性的影響。在試驗過程中，深冷保溫時間為 2 h，以槽幫材料為對磨環。通過改變深冷溫度，分析顯微組織、硬度、摩擦因數及磨損量的變化規律。

2.1.1 對顯微組織的影響

不同溫度處理后的金相組織如圖 2 所示，主要為黑色的針狀馬氏體組織，析出顆粒狀碳化物，以及塊狀殘余奧氏體。

由圖 2(a) 可知，未經深冷處理的試樣馬氏體數量相對較少，殘余奧氏體或碳化物的數量較多且分布不均勻。由圖 2(b)～ (f) 可知，黑色針狀馬氏體的數量逐漸增多，晶粒逐漸細化，分布趨于均勻，塊狀殘余奧氏體在一定程度上減少，白色的碳化物顆粒增多。

圖2 不同溫度處理后的金相組織Fig.2 Metallographic structure after cryogenic treatment at various temperature

圖2(f) 中，相對于未經深冷處理的試樣，白色區域明顯減小，且白色區域的分布也更均勻，黑色區域發生碎化。因此可見，經 -90 ℃ 深冷處理后，碳化物的分布變得更加均勻，殘余奧氏體的量變得很少，馬氏體發生碎化，從而提高了材料的硬度，這與試驗測得 -90 ℃ 處理時硬度最高相吻合。

2.1.2 對硬度的影響

不同深冷溫度下試驗材料的硬度值如表 2 所列，不同溫度處理后的試樣硬度變化曲線如圖 3 所示。由表 2、圖 3 可知，與未深冷處理試樣相比，深冷處理后的試樣硬度明顯提高，且隨著深冷溫度的降低，試樣的硬度逐漸增加。-30～-50 ℃ 溫度區間內，硬度增加明顯，-90 ℃ 的硬度最高，比未深冷處理的試樣硬度提高了 1.9 HRC。由此可知，深冷處理可以改善采煤機滑靴導向面的硬度。

表2 不同深冷溫度下的硬度值Tab.2 Hardness values at various cryogenic temperature

圖3 不同深冷溫度下的硬度變化曲線Fig.3 Variation curve of hardness after cryogenic treatment at various temperature

近年的研究表明，單以硬度來衡量堆焊金屬的抗磨粒磨損性能有一定的局限性[4]。硬度是一種材料抵抗其表面變形的能力，其耐磨性是材料抵抗磨損的一種性能，前者是靜態力學參量，后者是一個動態過程，用靜態力學參量不可能準確描述動態變化過程的本質規律[5]，因此，要確定深冷處理后材料的耐磨性，還需進行摩擦磨損試驗。

2.1.3 對磨損性能的影響

不同深冷溫度下試樣的摩擦因數隨時間的變化關系曲線如圖 4 所示。由圖 4 可知，21 號試樣的摩擦因數最低，5、7、13 和 9 號試樣相比 3 號試樣，摩擦因數都得到了不同程度的改善。

圖4 不同深冷溫度處理后試樣摩擦因數隨時間變化曲線Fig.4 Variation curve of friction coefficient with time of samples after cryogenic treatment at various temperature

不同深冷溫度下試樣的平均摩擦因數和磨損量如表 3、4 所列，磨損量隨深冷溫度變化曲線如圖 5 所示。

表3 不同深冷溫度處理后試樣的平均摩擦因數Tab.3 Average friction coefficient of samples after cryogenic treatment at various temperature

表4 不同深冷溫度處理后試樣的磨損量Tab.4 Abrasion loss of samples after cryogenic treatment at various temperature

圖5 磨損量隨深冷溫度變化曲線Fig.5 Variation curve of wear loss with cryogenic temperature

一般來說，硬度越高，其耐磨性能越好，摩擦因數及磨損量也越低：

(1) 由表 3 可知，隨著深冷溫度的降低，試樣硬度逐漸提高，平均摩擦因數總體呈下降趨勢，特別是-90 ℃ 處理的試樣，其平均摩擦因數較 -70 ℃ 處理的試樣下降明顯。

(2) 由表 4 和圖 5 可知，試樣的磨損量并沒有隨著硬度的提升及摩擦因數的降低而減小，反而呈波動趨勢，在 -70 ℃ 時，磨損量達到頂點，隨后顯著下降，至 -90 ℃ 時降至最低，說明材料的耐磨性能與材料硬度沒有完全的對應關系，而取決于硬度和顯微組織的共同作用，不能單憑硬度來判別材料耐磨性能的優劣。

綜上所述，在選定的溫度范圍內，經 -90 ℃ 深冷處理后，材料的平均摩擦因數最低，磨損量最小，耐磨性能最佳。

2.2 保溫時間對導向滑靴組織和性能的影響

選擇 2 種深冷處理溫度 (-50 和 -90 ℃)，采用槽幫材料為對磨環，改變保溫時間，分析顯微組織、硬度、摩擦因數、磨損量隨保溫時間的變化規律。

2.2.1 對顯微組織的影響1～ 4 h 后試驗材料的金相組織。

圖6 不同深冷溫度及保溫時間下的金相組織Fig.6 Metallographic structure after cryogenic treatment at various temperature and holding duration

圖6(a) 中主要組織為黑色的針狀馬氏體組織和析出的顆粒狀的碳化物，以及白色塊狀殘余奧氏體，其中殘余奧氏體的量較多，所以硬度不高；圖 6(b) 中白色區域明顯減少，馬氏體連成一片，碳化物呈網狀均勻分布，所以測得的硬度較高；圖 6(c)、(d) 中，馬氏體發生碎化，尤其圖 6(d) 碎化比較嚴重，但白色區域并沒有減少，殘余奧氏體較軟，所以測得的硬度幾乎不變或者降低；圖 6(e)、(f) 中，在保溫時間為 2 h，馬氏體碎化最嚴重，而后隨著保溫時間的增加，組織并沒有進一步發生碎化，反而長大；圖 6(f) 中，組織碎化，碳化物均勻分布，所以硬度值最高；圖 6(g)中，碳化物析出量增加，且分布比較均勻，所以硬度也較高。

2.2.2 對硬度的影響

圖7 所示為深冷溫度分別為 -50 和 -90 ℃、保溫 1～ 4 h 后，試驗材料的硬度變化曲線。由圖 7 可知，保溫時間對硬度的總體影響不大，小于 HRC1，-90 ℃ 比 -50 ℃ 處理后的試樣硬度稍高。對于 -50 ℃試樣，隨著保溫時間的增加，在前 3 h 內硬度逐漸降低，3 h 后試樣硬度又逐漸提高；對于 -90 ℃ 試樣，深冷 2 h 時硬度最高，然后硬度逐漸降低，但仍高于深冷 1 h 的試樣。

圖7 硬度隨保溫時間變化曲線Fig.7 Variation curve of hardness with holding duration

2.2.3 對磨損性能的影響

圖8 所示為深冷溫度分別為 -50 和 -90 ℃、保溫1～ 4 h 后，試驗材料的摩擦因數隨時間變化曲線。由圖 8 可知，無論保溫時間長短，-90 ℃ 處理的試樣都比 -50 ℃ 處理的試樣摩擦因數更低。對于 13 號和 17號試樣，在磨損過程中比 11 號和 15 號試樣的摩擦因數更穩定，但在磨損后期 (高溫階段) 摩擦因數都比較大；對于 23 號試樣，其硬度雖低于 21 號試樣，但在整個磨損過程中摩擦因數變化比較平穩，且磨損后期的摩擦因數值最低。

試樣的平均摩擦因數及磨損量分別如表 5、6 所列，磨損量隨保溫時間變化曲線如圖 9 所示。

圖8 不同深冷溫度及保溫時間下試樣的摩擦因數隨時間變化曲線Fig.8 Variation curve of friction coefficient with time of samples after cryogenic treatment at various temperature and holding duration

表5 不同深冷溫度及保溫時間處理后試樣的平均摩擦因數Tab.5 Average friction coefficient of samples after cryogenic treatment at various temperature and holding duration

表6 不同深冷溫度及保溫時間處理后試樣的磨損量Tab.6 Abrasion loss of samples after cryogenic treatment at various temperature and holding duration

圖9 磨損量隨保溫時間變化曲線Fig.9 Variation curve of wear loss with holding duration

由表 5 及圖 9 可知，并不是深冷保溫時間越長，所得到的試樣耐磨效果最佳：

(1) 對于 -50 ℃ 處理的試樣，其在保溫 2 h 時所得到的摩擦因數最低，為 0.5315，從磨損量角度來看，保溫 2 h 時的磨損量也最低，相比于其他 3 種保溫時間，磨損量降低非常明顯。同時，保溫 2 h 得到的試樣硬度也較高。因此 -50 ℃ 處理時，保溫 2 h 效果最佳。

(2) 對于 -90 ℃ 處理的試樣，其摩擦因數比 -50℃ 要低，磨損量也較低，可以認為 -90 ℃ 處理的試樣整體耐磨性高于 -50 ℃ 處理的試樣。

(3) -90 ℃ 處理保溫 3 h 的試樣硬度低于保溫 2 h的試樣硬度，但其摩擦因數更優，磨損量整體也較小，且保溫 3 h 的試樣磨損量最小，這與摩擦因數的變化一致，也說明了耐磨性跟硬度沒有直接的對應關系。

綜上所述，-90 ℃ 處理的試樣的耐磨性整體高于-50 ℃ 處理的試樣。-50 ℃ 處理時，保溫 2 h 效果最佳；而 -90 ℃ 處理時，則保溫 3 h 時的硬度、摩擦因數及磨損量都得到了很好的平衡，試樣的耐磨性能也最佳。

3 結論

(1) 深冷處理能夠明顯改善試驗材料組織，促進殘余奧氏體轉變為馬氏體，且導致馬氏體的碎化。深冷過程中有碳化物析出，碳化物的均勻分布起到彌散強化的效果。

(2) 試樣經深冷處理后，硬度值有所提升，且隨著深冷溫度的降低，試樣硬度值逐漸提高。與深冷溫度相比，保溫時間對耐磨性的影響較小。

(3) 耐磨性和硬度沒有直接的對應關系，不能單純地以硬度來衡量耐磨性。耐磨性是硬度和內部組織共同作用的結果。試驗表明，在選取的溫度范圍內，-90 ℃ 深冷處理的試樣硬度最高，且耐磨性最好。

(4) 在不同的深冷溫度下，不同的保溫時間會取得不一樣的深冷效果。-50 ℃ 深冷處理時，保溫 2 h耐磨性能最佳；-90 ℃ 處理時，保溫 3 h 性能最佳。