熱滲鋅技術(shù)在礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈中的應(yīng)用

中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司 河北張家口 075000

1 序言

隨著我國(guó)煤炭需求的不斷增加，煤礦井下綜采設(shè)備正朝著功率不斷加大、產(chǎn)量不斷提高的方向發(fā)展。礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈?zhǔn)敲旱V井下機(jī)械化采煤的主要設(shè)備——刮板運(yùn)輸機(jī)和刨煤機(jī)上的傳動(dòng)鏈，是設(shè)備的關(guān)鍵件和易損件，其質(zhì)量高低直接影響著煤機(jī)設(shè)備的工作效率及煤炭產(chǎn)量。礦用鏈條在井下惡劣的環(huán)境中工作，除了要保證鏈條的強(qiáng)度和硬度，表面防腐也需提高[1]。由于礦井積水中含有大量的酸根離子，所以會(huì)對(duì)鏈條表面造成電化學(xué)腐蝕；另外，鏈條肩頂部殘余應(yīng)力大，在與腐蝕介質(zhì)相互作用下，容易誘發(fā)應(yīng)力腐蝕斷裂[2]。而熱滲鋅技術(shù)是通過(guò)在Ac1溫度以下，基體金屬?zèng)]有發(fā)生相變的情況下，通過(guò)鋅元素向鋼鐵表面擴(kuò)散，形成鋅鐵合金層，從而改善鋼鐵表面成分、組織和結(jié)構(gòu)的方法[3]。本文主要介紹熱滲鋅技術(shù)在礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈中的應(yīng)用。

2 試驗(yàn)材料和方法

選用30mm×108mm-5環(huán)鏈條，材質(zhì)為常用鏈條鋼23MnNiMoCr54，其化學(xué)成分見表1，按照正常熱處理工藝：900℃中頻感應(yīng)淬火+540℃差溫回火+400℃等溫回火。熱滲鋅設(shè)備采用長(zhǎng)4m、直徑1m、裝爐量5t的滲鋅反應(yīng)爐，滲鋅溫度控制在300～400℃之間，滲鋅深度達(dá)到50～100μm。滲鋅工藝流程為：礦用鏈條→除油→除銹→水洗→防銹晾干→滲鋅→水洗、鈍化→成品。

利用Instron 400t臥式拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，使用奧林巴斯BX53光學(xué)顯微鏡和HV1000型顯微硬度計(jì)對(duì)滲鋅鏈環(huán)表面組織、滲鋅層硬度和鋅層深度進(jìn)行分析，最后使用日本JSM-7600F掃描電鏡分析滲鋅表層鋅含量并觀察截面形貌。

表1 23MnNiMoCr54鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 力學(xué)性能分析

根據(jù)GB/T 12718—2009《礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈》的規(guī)定[4]，鏈條出廠檢測(cè)要符合3項(xiàng)力學(xué)性能要求，熱滲鋅鏈條力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表2。

根據(jù)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，礦用鏈條滲鋅后抗拉強(qiáng)度仍然滿足國(guó)標(biāo)要求。由于滲鋅反應(yīng)溫度低于正常的鏈條回火溫度，所以對(duì)成品鏈條的機(jī)械強(qiáng)度沒有造成太大的影響。

表2 礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈力學(xué)性能

3.2 金相組織和顯微硬度分析

使用線切割機(jī)床在滲鋅鏈環(huán)的頂部切取長(zhǎng)為20mm的試塊，進(jìn)行顯微硬度和金相組織檢測(cè)，選用設(shè)備為HV1000顯微硬度計(jì)。

顯微硬度選用載荷200g，由試塊表面0.1mm位置逐點(diǎn)向試塊心部檢測(cè)[5]，結(jié)果見表3。

表3 顯微硬度檢測(cè)

從檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，試塊表面硬度（≤0.2mm）有所下降，試塊心部硬度仍符合正常熱處理工藝要求（鏈環(huán)頂部硬度349～388HV）。結(jié)合金相組織進(jìn)一步分析，將試塊拋光腐蝕后，在200倍光學(xué)顯微鏡下觀察滲鋅層及鏈環(huán)心部組織，如圖1所示。

從圖1a、圖1b中可以看出，在試樣表面有鋅鐵合金層存在。由于滲鋅反應(yīng)溫度低，滲層在50μm左右。鏈環(huán)心部組織仍為保持馬氏體位向的回火屈氏體。

圖1 金相組織（200×）

3.3 掃描電鏡對(duì)鋅鐵合金層分析

將滲鋅試塊經(jīng)過(guò)丙酮腐蝕和酒精清洗后，在滲鋅層表面譜圖1位置進(jìn)行能譜分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，具體數(shù)據(jù)見表4。

在試樣表面能觀察到明顯的滲鋅層，通過(guò)比例尺可知滲鋅層厚度在50μm左右，結(jié)合能譜分析，試樣表面主要是以Fe、Zn元素為主，在次表面仍有部分Zn擴(kuò)散到基體中。說(shuō)明在熱滲鋅過(guò)程中，Zn粉除涂覆到鏈環(huán)表面形成涂層外，還有少部分?jǐn)U散到鏈環(huán)基體中形成Zn-Fe合金層，增加了與基體的結(jié)合強(qiáng)度。在使用過(guò)程中表面滲鋅層不會(huì)輕易脫落，鋅層氧化后形成鈍化膜起到耐腐蝕作用，而鋅鐵合金層具有一定的耐磨性，可提高井下使用壽命。根據(jù)滲鋅反應(yīng)溫度并結(jié)合Zn-Fe合金相圖[6]（見圖3），在300～400℃反應(yīng)產(chǎn)物為δ1（FeZn7）和ξ（FeZn13），這兩種鋅鐵合金產(chǎn)物對(duì)表層硬度起到重要作用。

圖2 滲鋅層能譜檢測(cè)

表4 能譜檢測(cè)結(jié)果 （%）

圖3 Zn-Fe合金相圖

3.4 夏比缺口沖擊試驗(yàn)

在鏈環(huán)的頂部和直臂處取樣，制取夏比V型缺口試樣，通過(guò)BCJ-1擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)得到以下試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表5。

表5 夏比V型缺口試驗(yàn) （J）

鏈環(huán)頂部和直臂沖擊值均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，由于熱處理溫度不同，故直臂沖擊要明顯高于頂部沖擊。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）礦用鏈條在經(jīng)過(guò)熱滲鋅后，力學(xué)性能、沖擊性能、基體硬度和金相組織等各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)都能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）熱滲鋅后在鏈環(huán)表面形成鋅鐵合金層，不僅起到耐腐蝕作用，而且提高了與基體的結(jié)合強(qiáng)度，合金層硬度比基體硬度略低，仍有一定耐磨性。

3）此種表面處理工藝的鏈條已經(jīng)在澳大利亞MNC煤礦LW604工作面開始使用，并取得了很好的應(yīng)用效果。