采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴堆焊層耐磨性能的研究

趙慶飛

（山西晉城晉煤集團(tuán)寺河煤礦二號(hào)井，山西 晉城 048000）

導(dǎo)向滑靴是采煤機(jī)的承載部件，作業(yè)過(guò)程中會(huì)直接接觸導(dǎo)軌，為了確保采煤機(jī)的使用性能和使用壽命，導(dǎo)向滑靴堆焊層需要采用強(qiáng)度、韌度和耐磨性能均表現(xiàn)出色的金屬，但是目前實(shí)際應(yīng)用的材料很難滿足采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴的綜合性能要求，這在一定程度上也限制了采煤機(jī)的使用壽命。為了提高導(dǎo)向滑靴耐磨性能，采煤機(jī)生產(chǎn)廠家往往會(huì)選擇更為耐磨的金屬材料或者是對(duì)磨損嚴(yán)重的部位進(jìn)行特殊處理，導(dǎo)向面直接堆焊耐磨層是目前大功率采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴耐磨加工的主要方法。為了保證本次研究的合理性，以MHV型導(dǎo)向滑靴為研究對(duì)象，選擇了煤礦行業(yè)常用的四種具有代表性的耐磨材料觀察比較材料的金相組織、耐磨性能和硬度等參數(shù)，分析采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴堆焊層耐磨性能的影響因素，為采煤機(jī)生產(chǎn)中堆焊材料的選擇提供依據(jù)，從而提高采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴的耐磨性能。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

MHV型導(dǎo)向滑靴一般使用的堆焊材料為ZG35CrMnSi，依次經(jīng)過(guò)正火回火處理。實(shí)驗(yàn)選擇焊條（HD01）、耐磨焊絲（DG09）、堆焊耐磨焊絲（HS02）和美國(guó)進(jìn)口耐磨板（SA03）四種材料作為研究對(duì)象。為了使實(shí)驗(yàn)盡可能接近真實(shí)作業(yè)條件，刮板輸送機(jī)導(dǎo)軌材料為ZG30SiMn，使耐磨材料與其進(jìn)行直接接觸，模擬采煤機(jī)的工作。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試塊制備

在試驗(yàn)中會(huì)嚴(yán)格根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝的要求進(jìn)行耐磨材料的堆焊，避免實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差，試塊基體ZG35CrMnSi規(guī)格為100×50×30mm，制作3塊，試塊完成后需要將表面的雜質(zhì)油污等去除掉。在堆焊前對(duì)基體進(jìn)行加熱，加熱到300℃～350℃，按照焊接工藝對(duì)四種耐磨材料進(jìn)行分層堆焊。需要注意的是試驗(yàn)中金屬的堆焊厚度應(yīng)符合采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴實(shí)際耐磨面厚度，同時(shí)采用石棉對(duì)堆焊層進(jìn)行保溫，使其緩慢冷卻，SA03耐磨板規(guī)格50×30×10mm。

1.2.2 金相觀測(cè)

將制取的堆焊試塊進(jìn)行磨平處理，將上述四個(gè)堆焊試樣上下磨平后，用光學(xué)洛氏硬度計(jì)測(cè)量堆焊試樣硬度，為了保證硬度測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要選取5個(gè)測(cè)試點(diǎn)取平均值。

制作金相試塊，用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕拋光處理，進(jìn)行金相檢測(cè)。

1.2.3 摩擦磨損試驗(yàn)

本次采用型號(hào)為M2000的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行干擦拭的耐磨性能檢測(cè)試驗(yàn)。以線切割為基準(zhǔn)沿堆焊方向在HD01、HS02、DG09堆焊試塊中截取相應(yīng)的試塊，確保截取試塊的規(guī)格尺寸與SA03耐磨板相同，試塊長(zhǎng)為19.05±0.1mm，寬度和高度為10±0.05mm。對(duì)對(duì)磨試樣ZG35CrMnSi進(jìn)行加工處理，使其規(guī)格為內(nèi)徑16mm、外徑38mm、厚度10mm的圓環(huán)。試驗(yàn)正壓力值為200N，單件試樣磨損時(shí)間為600min，對(duì)磨試樣轉(zhuǎn)速200r/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 金相組織分析

在 ZG35CrMnSi基體上堆焊 DG09、HD01、HS02，將上述材料與SA03耐磨板的金相組織進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示SA03耐磨板與HS02耐磨焊絲的主要組織為軟性基體和硬質(zhì)相，耐磨層為高鉻鑄鐵堆焊層，而HD01耐磨焊條和DG09耐磨焊絲的耐磨體主要組織為強(qiáng)化馬氏體，屬于高合金堆焊層。

SA03耐磨板碳化物質(zhì)顆粒呈現(xiàn)出數(shù)量多、直徑大、分布均勻的特點(diǎn)，存在形式為六角柱。HS02耐磨焊絲耐磨層中的碳化物需要與奧氏體構(gòu)成樹(shù)枝狀、桿狀、粒狀等形式的共晶團(tuán)，金相組織為柱狀貝氏體。HD01耐磨焊條耐磨層的金相組織為孿晶馬氏體和板條馬氏體，有少量的M23C6型碳化物分布。DG09耐磨焊絲耐磨層中有較多的網(wǎng)狀碳化物的存在。

2.2 硬度特性分析

對(duì)DG09、HD01、HS02堆焊試塊和SA03耐磨板進(jìn)行硬度試驗(yàn)，具體結(jié)果如下：

表1 幾種耐磨材料表面硬度值

對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中HS01試塊的硬度最高，SA03試塊的硬度也比較高，其中DG09試塊的表面硬度最低，對(duì)四組試塊耐磨層表面至熔合區(qū)硬度梯度進(jìn)行分析，結(jié)果顯示硬度HD01耐磨焊條以及DG09耐磨焊絲的堆焊層硬度都有明顯的快速下降，而SA03和HS02試塊硬度梯度相對(duì)下降較為平緩。這主要是由于DG09和DG01都屬于強(qiáng)化馬氏體的高合金堆焊層，熔合區(qū)內(nèi)堆焊層中以碳為主的化學(xué)成分含量會(huì)有較大的變化，進(jìn)而導(dǎo)致硬度值的快速下降。而SA03和HS02的高鉻鑄鐵堆焊層奧氏體與母材的匹配度較高，硬質(zhì)相是硬度變化的主要原因，相對(duì)而言硬度值的變化幅度也會(huì)比較小。

2.3 摩擦磨損結(jié)果分析

采煤機(jī)作業(yè)過(guò)程中導(dǎo)向滑靴主要的磨損形式為滑動(dòng)摩擦，耐磨層表面以磨粒磨損為主，同時(shí)也會(huì)需要承受一定的黏著磨損。對(duì)上述四種耐磨材料進(jìn)行了摩擦磨損對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)其磨損量和摩擦因數(shù)進(jìn)行測(cè)量，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 平均摩擦因數(shù)和磨損量

對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，HS02耐磨焊絲的耐磨性能最為出色，排名第二和第三的分別為SA03耐磨板和HD01耐磨焊條，DG09耐磨焊絲最差。DG09和HD01金相組織中的針狀孿晶馬氏體在摩擦環(huán)境中容易受到應(yīng)力的印象概念股集中出現(xiàn)細(xì)小的裂紋，加之馬氏體組織硬度較高外部沒(méi)有軟性基體的存在，耐磨性能就會(huì)比較差，HD01耐磨焊條的硬度要高于DG09耐磨焊絲，因而耐磨性要優(yōu)于后者。HS02耐磨焊絲受摩擦因子的影響較小，因而磨損量也比較低，抵抗磨粒磨損和黏著磨損的能力比較強(qiáng)。SA03耐磨板在磨損的初始階段摩擦因數(shù)的變化較為明顯，隨著時(shí)間的推移，材料微凸體與摩擦副之間的相互作用弱化，當(dāng)時(shí)間持續(xù)延長(zhǎng)或者是有高硬度碳化物硬質(zhì)顆粒脫落時(shí)，磨損加劇，配磨副摩擦因數(shù)也會(huì)隨之增大。

3 結(jié)論

（1） 對(duì) DG09、HD01、HS02堆焊試塊和SA03耐磨板進(jìn)行硬度試驗(yàn)，堆焊材料HD01、SA03耐磨板硬度較高，HS02堆焊層硬度變化較為平穩(wěn)。

（2）摩擦磨損試驗(yàn)分析，HS02堆焊層磨損量和摩擦系數(shù)都較小，耐磨性較高。HS02堆焊層綜合摩擦性能和硬度、耐磨性能較好。

綜上所述，采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴堆焊層的耐磨性能會(huì)受到金屬的顯微組織、硬度、合金元素類型、數(shù)量等的綜合影響，堆焊金屬耐磨性能會(huì)對(duì)采煤機(jī)的使用性能產(chǎn)生影響，因而在實(shí)際的采煤機(jī)生產(chǎn)中要充分了解各種堆焊材料的特性，選擇最為恰當(dāng)?shù)膶?dǎo)向滑靴堆焊材料，保證采煤機(jī)的使用性能，延長(zhǎng)其使用壽命。