礦用鏈輪合金材料耐磨性能研究

楊海利

寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，寧夏 石嘴山 753000

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我們正面臨環(huán)境污染、資源枯竭等問題。我國雖然是煤炭儲(chǔ)量大國，但因地理?xiàng)l件及資源結(jié)構(gòu)限制，在煤炭開采行業(yè)，一些矸石含量高（含矸量40%～50%）的煤炭資源也已經(jīng)逐步成為開采對象。該部分煤炭資源的開采不但增加了開采成本，同時(shí)對開采裝備的壽命、可靠性、效率提出了更高的要求[1]。目前高含矸量煤礦開采裝備依賴進(jìn)口，不但價(jià)格昂貴，維修、更換效率也很難保障。面對這一尷尬局面，開發(fā)高性能耐磨材料，提高產(chǎn)品質(zhì)量及壽命，替代進(jìn)口產(chǎn)品，具有非常廣泛的市場價(jià)值。

鏈輪是煤礦井下的主要運(yùn)輸設(shè)備之一，也是刮板輸送機(jī)的重要驅(qū)動(dòng)部件，其通過與輸送刮板鏈的閉合循環(huán)嚙合，帶動(dòng)輸送機(jī)刮板鏈在整個(gè)輸送機(jī)溜槽內(nèi)運(yùn)行，從而帶動(dòng)煤炭沿著溜槽移動(dòng)，直到機(jī)尾部卸載，完成煤炭的輸送。在整個(gè)設(shè)備運(yùn)行過程中鏈輪鏈窩在和圓環(huán)鏈嚙合過程中承受巨大的交變載荷和附加的沖擊載荷，同時(shí)伴隨著煤、矸石在運(yùn)行過程中產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦以及磨料磨損，伴隨著水附著在工件表面造成腐蝕[2]。

本文正是針對以上情況以礦用鏈輪常用材料為基礎(chǔ)進(jìn)行重新配比，并添加了微量的Al、Cu等元素，以提高材料的沖擊韌性、強(qiáng)度和抗腐蝕性，采用15%濃度的淬火液進(jìn)行淬火工藝，得到了較均勻的隱針馬氏體組織，使材料具備非常高的強(qiáng)韌性及抗磨性能。通過對比試驗(yàn)，得出兩種高合金耐磨鋼的耐磨性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用材料SY01、SY02，其主要合金元素成分見表1。按照鏈輪在煤礦井下正常使用的參數(shù)將以上兩種原始材料調(diào)質(zhì)后，試樣根據(jù)《GB-T228.1-2010金屬材料 拉伸試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)制備拉伸試棒，根據(jù)《GB-T229-2007金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)制備沖擊試塊，根據(jù)《GB-T13298-2015金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)制備金相試塊；淬火后機(jī)械加工得到金相試塊及摩擦磨損試驗(yàn)用的塊形及環(huán)形試樣，塊形試樣根據(jù)《GB/T 12444.2-1990金屬磨損試驗(yàn)方法 環(huán)塊型磨損試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)制備，環(huán)形試樣根據(jù)試驗(yàn)機(jī)主軸尺寸配制。

表1 主要合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.2 熱處理工藝

SY01、SY02兩種原材料用910 ℃淬火溫度加熱，保溫2.5 h，水冷處理后，統(tǒng)一再加熱到640 ℃、保溫2.5 h，空冷回火處理，制備成拉升、沖擊及金相試樣；910 ℃淬火溫度加熱，保溫2.5 h，水冷處理后，統(tǒng)一再加熱到200 ℃、保溫2 h，空冷退火處理，制備成金相及摩擦磨損試樣。

1.3 金相組織檢查

金相分析試驗(yàn)，將兩種材料分別制成尺寸為ф15mm×10mm圓柱形試樣，經(jīng)100號(hào)、200號(hào)、400號(hào)、600號(hào)、800號(hào)、1000號(hào)的砂紙依次進(jìn)行粗拋，用金絲絨、研磨膏進(jìn)行細(xì)拋，處理成鏡面，然后用4%硝酸酒精腐蝕，清洗并烘干后，使用金相顯微鏡觀察。

1.4 摩擦磨損試驗(yàn)

微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)MM-2000用于測試材料耐磨性能。滑塊的材料分別為SY01、SY02兩種，與之相配套使用的環(huán)塊材料為GCr15[3]。根據(jù)設(shè)備的工作條件（最大鏈速1.5 m/s），確定環(huán)形試樣的轉(zhuǎn)速為400 r/min，試驗(yàn)力200 N，試驗(yàn)時(shí)間30 min，設(shè)備固有摩擦力矩0.21 N·m。試驗(yàn)過程無潤滑，采用干摩擦，在室溫下進(jìn)行，濕度為40%。試驗(yàn)前，試驗(yàn)機(jī)預(yù)熱30分鐘。將試樣采用工業(yè)酒精清洗，共洗2遍，第1遍采用超聲波振動(dòng)法清洗10分鐘，清洗溫度60 ℃；第2遍用常溫酒精清洗。用涼風(fēng)吹干試樣，稱重并記錄待用。安裝試樣，使試樣轉(zhuǎn)動(dòng)方向與加工方向一致。啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)主軸前，摩擦力矩清零，試驗(yàn)力加載完成。啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，使環(huán)形試樣逐漸達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)速，平穩(wěn)地將試驗(yàn)力施加到規(guī)定值。進(jìn)行干摩擦試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后，數(shù)據(jù)存盤，卸載。將磨損后的試樣按清洗工序再次清洗，稱重記錄。

1.5 表面分析法

對調(diào)質(zhì)后的SY01、SY02材料加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣、標(biāo)準(zhǔn)梅氏沖擊試樣及標(biāo)準(zhǔn)磨損試塊；對淬火后的SY01、SY02材料加工成標(biāo)準(zhǔn)磨損試塊；用CMT5305微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)測強(qiáng)度和塑性[4]；用JB-36型36公斤力米三用沖擊試驗(yàn)機(jī)測沖擊韌性；硬度測試采用TH301型硬度計(jì)；用DM23000M金相顯微鏡觀察顯微組織；用MM-2000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 金相組織觀察

對調(diào)質(zhì)后的試塊取樣進(jìn)行金相組織分析，圖1中a、b分別為SY01經(jīng)硝酸酒精腐蝕和飽和苦味酸水溶液腐蝕后的顯微組織，均為鐵素體+點(diǎn)狀碳化物的回火索氏體。c、d分別為SY02經(jīng)硝酸酒精腐蝕和飽和苦味酸水溶液腐蝕后的顯微組織，也得到了鐵素體+點(diǎn)狀碳化物的回火索氏體組織，但相對a、b中金相組織晶粒略顯粗大。圖2所示為SY01和SY02在同等條件下淬火后的金相組織圖，均為隱針馬氏體，但a中組織較b更為均勻、致密。

圖2 淬火后金相照片

圖1 調(diào)質(zhì)處理金相照片

2.2 力學(xué)性能檢測

從表2中的各項(xiàng)力學(xué)性能數(shù)據(jù)來看，SY01、SY02表面硬度基本一致，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、布氏硬度等幾項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)方面基本持平，但SY01的沖擊功及沖擊值較高，沖擊韌性相對更好，與其金相組織相對致密有關(guān)。礦用刮板輸送機(jī)鏈輪在與刮板鏈的嚙合工作中會(huì)承受頻繁的沖擊載荷，設(shè)計(jì)要求零件的基體韌性高，表層硬度高，既具備一定的抗沖擊性又具備高耐磨性能。因此從調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能判定SY01更適合用于鏈輪鋼。

表2 調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能數(shù)據(jù)

2.3 摩擦磨損測試機(jī)理分析

每種材料做三次試驗(yàn)，SY01材料的三個(gè)試樣編號(hào)分別是1-1、1-2、1-3，SY02材料的試樣編號(hào)分別是2-1、2-2、2-3。稱重時(shí)，每個(gè)試樣稱5-6次，去除無效數(shù)據(jù)后，取平均值，稱重結(jié)果見表3。

表3 試樣磨損前后稱重結(jié)果對比 單位：g

從表3中可以得出，SY01合金鋼的平均磨損量小于SY02合金鋼的平均磨損量，即SY01合金鋼的抗磨性能要優(yōu)于SY02合金鋼，其更適合煤礦井下工況的使用。

3 結(jié) 論

①金相方面，在同等的調(diào)質(zhì)和淬火條件下，兩種合金鋼的金相組織相同，但SY01合金鋼中組織較SY02合金鋼更為均勻、致密；

②力學(xué)性能方面，SY01合金鋼的沖擊韌性優(yōu)于SY02合金鋼；

③在磨損性能方面，SY01合金鋼在腐蝕介質(zhì)中的磨損性能要優(yōu)于SY02合金鋼；

④綜合力學(xué)性能及磨損性能，SY01合金鋼適合用于鏈輪鋼，符合高耐磨、抗腐蝕性能的要求。