煤礦液壓支架立柱防腐蝕問題研究

馮文濤

平頂山天安煤業股份有限公司十一礦 河南 平頂山 467000

引言

中國是煤炭資源型國家，是世界第一產煤大國。根據國家統計局發布的最新數據顯示2019年我國能源消費結構中煤炭所占比重為59%，較上年下降約1.3個百分點，天然氣、水電、核電、風電等清潔能源所占比重為22.2%較上年上升1個百分點?？梢钥闯?，雖然國家正在大力發展新能源，不斷優化能源消費結構，但煤炭資源的開發利用仍在國民經濟中占著舉足輕重的地位。而液壓支架作為綜合機械化采煤的重要設備之一起著關鍵作用，其可靠性與壽命直接影響煤礦井下工作面的支護質量1[1]。由于井下環境復雜惡劣，支架長期工作就容易被腐蝕，而作為液壓支架的關鍵承載部件的立柱一旦出現腐蝕現象，不僅會嚴重威脅礦井工作人員的生命安全，還會造成巨大的經濟損失。研究立柱在煤礦井下的腐蝕特性，對于提高材料機械性能，制造高強度工業設備具有極為重要的意義

1 腐蝕原因及特點分析

1.1 腐蝕環境

我國煤礦通常為地下開采，采煤工作面和巷道內相對濕度大，通常在75%左右，井下存在大量的腐蝕介質，水質成分復雜，pH值變化大，一般礦井水質pH值為7～9，部分礦井pH值為5～7，個別情況甚至為pH值為2～3，使得服役于礦井的鋼結構件腐蝕嚴重，一般腐蝕速0.17mm/a，最大可達0.5mm/a。另外井水中的氯離子起著去極化作用，也加速了液壓支架立柱的腐蝕。

1.2 腐蝕形式

立柱腐蝕從形態上看有兩大類：一是鉻層表面的局部出現腐蝕坑以及大小不等的“鼓泡”，有的蝕坑已連接成片，造成較大面積鉻層脫落。用放大鏡觀察鼓泡，會發現有許多“泡蓋”上都有明顯的針孔或裂紋，有的甚至用肉眼即可看到有明顯的龜裂現象，有的鼓泡已破裂，其下鋼鐵基體已被腐蝕，產生大量的黑色銹層；二是厚度約1mm的鍍鐵層大片脫落，這些被腐蝕的部位主要是活柱暴露于液壓缸之外的1/3～2/3處。

1.3 腐蝕機理

任何金屬材料在實際的使用過程中都會與周圍環境的介質進行相互的作用，導致化學與電化學反應現象的發生，使其自身的性能降低，甚至是喪失，這就是腐蝕現象。液壓支架立柱發生的腐蝕屬于典型的電化學腐蝕，由于Cu層與Ni鍍層等對于鋼鐵的基體都是陰極性的鍍層，而防腐機制則是將鋼鐵基體與相應的溶液介質進行物理性的隔離[2]。所以，在鍍層出現縫隙或者破壞的情況下，腐蝕介質就會利用縫隙進入鋼鐵基體表面。而鋼鐵基體就被作為陽極進行腐蝕，且腐蝕的速度要快于未鍍層的基體腐蝕速度。所以，只有在金屬材料鍍層保持完整的情況下才能夠有效的保證金屬的質量。鍍鉻層容易被氧化，容易在金屬表面形成鈍化膜，所以具有一定的耐腐蝕性能，但是，在含氯離子的溶液中就會影響其耐腐蝕性能。因此，礦用液壓支架在使用過程中發生的腐蝕是由腐蝕介質通過鍍層的縫隙，缺陷等處到達基體金屬而導致的。

2 目前立柱防腐蝕技術的應用

2.1 電鍍

電鍍是利用電流使金屬附著在物體表面上，形成均勻、耐蝕、結合力良好的致密金屬層的過程。國內采用最多的是錫青銅打底再鍍硬鉻的復合鍍層。該鍍層具有顯微硬度高、耐磨性好等特點，可起到機械保護作用，但對環境污染較大，尤其是重金屬污染，且對微裂紋或孔隙極為敏感，在使用過程中，立柱一旦發生穿透鍍層的孔隙，就會出現電化學腐蝕，造成鍍鉻層鼓泡、起皮和脫落，以致密封圈劃傷、失效[3]。鍍鉻層失效后，只能采取褪鍍方式重新電鍍，如果基體損傷過重，就只能報廢重新更換立柱。

2.2 化學鍍

化學鍍是依靠溶液中的化學反應，在溶液中添加還原劑，經自催化電化學反應而沉積出合金鍍層的技術，又稱無電解鍍。與電鍍相比，化學鍍是依靠基材的自催化性施鍍，不需直流電源設備，結合性能一般優于電鍍，對環境污染少，鍍層有光亮或半光亮外觀，晶粒細小致密，孔隙率低，適用于形狀復雜的工件。目前在液壓支架的生產和修復中主要包括化學鍍鎳、錫磷處理和磷化處理。

2.3 等離子噴涂

等離子噴涂是用惰性氣體加入少量的H2作為保護氣體，采用由直流電驅動的等離子弧作為熱源來加熱熔化噴涂粉末，然后高速噴涂在基體表面形成附著牢固的表面涂層的過程[4]。對于液壓支架立柱，可選擇具有高硬度、低摩擦因數及良好紅硬性的氧化物類陶瓷涂層或碳化物類金屬陶瓷涂層，其耐磨性和耐蝕性優于鍍硬鉻，而且沉積效率高，環境污染小，可取代鍍硬鉻。

等離子噴涂具有以下特點：

（1）基體材料不受限制，可在各種基材上噴涂；

（2）可噴涂的涂層材料極為廣泛，理論上可以噴涂所有具有物理熔點的材料；

（3）噴涂過程中基體表面受熱程度小，易于控制且對基體組織影響較??；

（4）所得涂層表面平整光滑，涂層較致密，孔隙率低，且結合強度高；

2.4 等離子熔覆技術

等離子熔覆技術是利用等離子體與其他材料碰撞產生的能量來發生一系列理化學反應，從而在金屬表面獲得良好的耐蝕、耐磨、耐熱等性能的材料表面改性技術。等離子熔覆不易產生裂紋、氣孔等缺陷，具有成本低、效率高、操作方便等特點，在大面積，大厚度，熔覆方面有明顯優勢。

2.5 激光熔覆技術

激光熔覆技術是用激光束將基體表面金屬和熔覆材料同時熔化，快速凝固后形成與基體材料成冶金結合的表面熔覆合金層。由于激光熔覆過程中能量高，熱量集中，因此得到的熔覆合金層比等離子熔覆層更加致密均勻，耐腐蝕性更高。但激光熔覆設備投資成本及后期的維護成本較等離子熔覆要高得多。與等離子噴涂、化學鍍和電鍍相比，激光熔覆具有對基材影響較小，工件不易變形、涂層與基體結合好等特點，是目前比較環保又具有較大經濟效益的一項新技術。但是在工藝方面受到許多限制，實際生產中更需要高的操作技能，在國內尚未完全實現產業化。

3 結束語

煤礦井下惡劣的環境決定了液壓支架立柱防腐蝕的復雜性，因此，針對不同煤礦的狀況要做到具體問題具體分析，合理采用相應的防腐蝕手段。就目前市場狀況來看，等離子熔覆技術的發展較為成熟，應用比較廣泛。激光熔覆技術的經濟效益則更為顯著，更加綠色環保。黨的十九大報告就提出，要建立健全綠色低碳循環發展的經濟體系，構建市場導向的綠色技術創新體系，推進資源全面節約和循環利用。因此，激光熔覆技術在未來具有更大的競爭優勢和應用前景。