深冷處理工藝對(duì)采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴耐磨性的影響

常熟天地煤機(jī)裝備有限公司 江蘇常熟 215500

導(dǎo)向滑靴是采煤機(jī)底座上一種承受低速重載，對(duì)耐磨性要求極高的重要部件，起導(dǎo)向和支撐作用。國內(nèi)外許多學(xué)者和采煤機(jī)生產(chǎn)廠家針對(duì)滑靴的耐磨性問題進(jìn)行了大量研究，目前以堆焊耐磨材料以及對(duì)磨損層進(jìn)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(shù)提高其耐磨性，仍是現(xiàn)階段國內(nèi)相關(guān)企業(yè)的研究重點(diǎn)與難點(diǎn)[1-3]。

筆者結(jié)合常熟天地煤機(jī)裝備有限公司現(xiàn)有試驗(yàn)條件，以常用導(dǎo)向滑靴基體及耐磨材料為基礎(chǔ)，制作試樣，將被處理試樣置于 ZT120 型深冷試驗(yàn)箱中，采用深冷處理工藝，使材料的微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并通過試驗(yàn)測(cè)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(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣準(zhǔn)備

以導(dǎo)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(zhǎng)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(duì)磨環(huán)選用刮板輸送機(jī)槽幫材料 ZG30MnSi，內(nèi)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(yàn)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(shí)間為 2 h；

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

試樣編號(hào)及處理工藝如表 1 所列。

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

1.2 試驗(yàn)儀器

洛氏硬度計(jì)、M2000 多功能磨損試驗(yàn)機(jī)、OLYMPUS-PMG3 研究型倒置式金相顯微鏡。

1.3 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)流程Fig.1 Test flow

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 深冷溫度對(duì)導(dǎo)向滑靴組織和性能的影響

研究深冷溫度對(duì)滑靴耐磨性的影響。在試驗(yàn)過程中，深冷保溫時(shí)間為 2 h，以槽幫材料為對(duì)磨環(huán)。通過改變深冷溫度，分析顯微組織、硬度、摩擦因數(shù)及磨損量的變化規(guī)律。

2.1.1 對(duì)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(jīng)深冷處理的試樣馬氏體數(shù)量相對(duì)較少，殘余奧氏體或碳化物的數(shù)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(shù)量逐漸增多，晶粒逐漸細(xì)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(duì)于未經(jīng)深冷處理的試樣，白色區(qū)域明顯減小，且白色區(qū)域的分布也更均勻，黑色區(qū)域發(fā)生碎化。因此可見，經(jīng) -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(fā)生碎化，從而提高了材料的硬度，這與試驗(yàn)測(cè)得 -90 ℃ 處理時(shí)硬度最高相吻合。

2.1.2 對(duì)硬度的影響

不同深冷溫度下試驗(yàn)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(qū)間內(nèi)，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(jī)滑靴導(dǎo)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(tài)力學(xué)參量，后者是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，用靜態(tài)力學(xué)參量不可能準(zhǔn)確描述動(dòng)態(tài)變化過程的本質(zhì)規(guī)律[5]，因此，要確定深冷處理后材料的耐磨性，還需進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。

2.1.3 對(duì)磨損性能的影響

不同深冷溫度下試樣的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線如圖 4 所示。由圖 4 可知，21 號(hào)試樣的摩擦因數(shù)最低，5、7、13 和 9 號(hào)試樣相比 3 號(hào)試樣，摩擦因數(shù)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(shù)隨時(shí)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)總體呈下降趨勢(shì)，特別是-90 ℃ 處理的試樣，其平均摩擦因數(shù)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(shù)的降低而減小，反而呈波動(dòng)趨勢(shì)，在 -70 ℃ 時(shí)，磨損量達(dá)到頂點(diǎn)，隨后顯著下降，至 -90 ℃ 時(shí)降至最低，說明材料的耐磨性能與材料硬度沒有完全的對(duì)應(yīng)關(guān)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(yōu)劣。

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

2.2 保溫時(shí)間對(duì)導(dǎo)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(duì)磨環(huán)，改變保溫時(shí)間，分析顯微組織、硬度、摩擦因數(shù)、磨損量隨保溫時(shí)間的變化規(guī)律。

2.2.1 對(duì)顯微組織的影響1～ 4 h 后試驗(yàn)材料的金相組織。

圖6 不同深冷溫度及保溫時(shí)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(qū)域明顯減少，馬氏體連成一片，碳化物呈網(wǎng)狀均勻分布，所以測(cè)得的硬度較高；圖 6(c)、(d) 中，馬氏體發(fā)生碎化，尤其圖 6(d) 碎化比較嚴(yán)重，但白色區(qū)域并沒有減少，殘余奧氏體較軟，所以測(cè)得的硬度幾乎不變或者降低；圖 6(e)、(f) 中，在保溫時(shí)間為 2 h，馬氏體碎化最嚴(yán)重，而后隨著保溫時(shí)間的增加，組織并沒有進(jìn)一步發(fā)生碎化，反而長(zhǎng)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(duì)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(yàn)材料的硬度變化曲線。由圖 7 可知，保溫時(shí)間對(duì)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(duì)于 -50 ℃試樣，隨著保溫時(shí)間的增加，在前 3 h 內(nèi)硬度逐漸降低，3 h 后試樣硬度又逐漸提高；對(duì)于 -90 ℃ 試樣，深冷 2 h 時(shí)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(shí)間變化曲線Fig.7 Variation curve of hardness with holding duration

2.2.3 對(duì)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(yàn)材料的摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化曲線。由圖 8 可知，無論保溫時(shí)間長(zhǎng)短，-90 ℃ 處理的試樣都比 -50 ℃ 處理的試樣摩擦因數(shù)更低。對(duì)于 13 號(hào)和 17號(hào)試樣，在磨損過程中比 11 號(hào)和 15 號(hào)試樣的摩擦因數(shù)更穩(wěn)定，但在磨損后期 (高溫階段) 摩擦因數(shù)都比較大；對(duì)于 23 號(hào)試樣，其硬度雖低于 21 號(hào)試樣，但在整個(gè)磨損過程中摩擦因數(shù)變化比較平穩(wěn)，且磨損后期的摩擦因數(shù)值最低。

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

圖8 不同深冷溫度及保溫時(shí)間下試樣的摩擦因數(shù)隨時(shí)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(shí)間處理后試樣的平均摩擦因數(shù)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(shí)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(shí)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(shí)間越長(zhǎng)，所得到的試樣耐磨效果最佳：

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

(2) 對(duì)于 -90 ℃ 處理的試樣，其摩擦因數(shù)比 -50℃ 要低，磨損量也較低，可以認(rèn)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(shù)更優(yōu)，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(shù)的變化一致，也說明了耐磨性跟硬度沒有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)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(shí)，保溫 2 h 效果最佳；而 -90 ℃ 處理時(shí)，則保溫 3 h 時(shí)的硬度、摩擦因數(shù)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(jié)論

(1) 深冷處理能夠明顯改善試驗(yàn)材料組織，促進(jìn)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，且導(dǎo)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(qiáng)化的效果。

(2) 試樣經(jīng)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(shí)間對(duì)耐磨性的影響較小。

(3) 耐磨性和硬度沒有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不能單純地以硬度來衡量耐磨性。耐磨性是硬度和內(nèi)部組織共同作用的結(jié)果。試驗(yàn)表明，在選取的溫度范圍內(nèi)，-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(shí)間會(huì)取得不一樣的深冷效果。-50 ℃ 深冷處理時(shí)，保溫 2 h耐磨性能最佳；-90 ℃ 處理時(shí)，保溫 3 h 性能最佳。