液壓支架的腐蝕機理分析及防護措施研究

馬 青

（晉能控股煤業集團四老溝礦， 山西 大同 037003）

1 液壓支架的腐蝕機理

液壓支架的構成主要包含了以下四個單元：執行機構、承載構架、輔助配置、控制機構。導致液壓支架發生失效的原因主要是一些部件長時間運行在惡劣的礦井環境中受到了磨損與腐蝕，其中部件的腐蝕類型如下：

1.1 點蝕

某液壓支架在礦井下持續運行了540 d，30CrMnSi 油缸在經過了調質處理之后，其表面發生了點蝕問題，詳見圖1。其發生腐蝕之后主要含有FeOOH、Fe3O4、FeSO4等物質，由于油缸缸體與支架運行所需液體之中的SO2-4等離子發生了腐蝕反應。分析主要原因為：包含了氯離子和硫酸根離子的高含水液壓溶液中30CrMnSi 合金發生了腐蝕，隨著兩種離子濃度的不斷增加，合金具有的點蝕電位持續降低，這是因為陰離子發生競相吸附，因此，如果高含水液壓液無法合理使用，將會導致支架立柱缸內壁出現點蝕。另外，一些礦井中的氯離子濃度可以達到2 000 mg/L，硫酸根離子的濃度可達到3 000 mg/L，如果支架表面鍍鉻極易形成點蝕孔，并且會逐漸延伸到內部[1]。

圖1 油缸表面的宏觀腐蝕形貌

1.2 磨損腐蝕

液壓支架體系之中的安全閥在純水介質運行之時，由于該介質有著極薄的潤滑油膜厚度，僅僅為礦物油的1/20～1/3，因此在摩擦表面之間難以形成發揮潤滑作用的油膜，從而只出現了干摩擦，磨損持續加劇，極易出現磨屑。而且純水介質作為一種電解質溶液有著較好的性能，閥桿與閥體之間十分容易發生電化學反應，促使表面存在的腐蝕物質在脫落之后轉化成為顆粒，加快了磨損速度。

另外，純水介質形成的氣化壓力遠遠超出了液壓油，且該壓力會隨著溫度的增加而增加，水中含有的雜質將會與閥體表面發生反應，形成氣蝕問題，對固體的表面產生了破壞。綜上所述，在純水介質中，液壓支架中配置的閥體極易出現磨損和腐蝕，這兩種問題相互影響，對安全閥的性能產生了極大的危害，最終導致液壓支架失去了較強的支護性能，極易導致事故的發生。

1.3 鼓泡

目前，液壓支架的立柱和液壓缸的內壁大多都是以陰極鍍層來保護，一旦局部鍍層受到了腐蝕，其必定會隨著腐蝕點逐漸擴散到周圍和內部，產生鼓泡，導致鍍層出現脫落問題，而鍍層下段的基體也會發生腐蝕，形成較多的黑色腐蝕產物。導致鼓泡發生的因素較多，例如礦井內生成的腐蝕介質逐漸滲透到原有的裂紋及針孔部位，出現電化學腐蝕，形成產物堆積，出現電化學腐蝕，形成較多的產物，導致鍍層與基體相互分離，形成鼓泡；此外，在電鍍過程形成的H 原子也極易被吸收，并逐漸擴散到基體之內，然后再聚集成為氫氣，最終成為氫鼓泡。

1.4 電偶腐蝕

我國西部地區大多數礦井水都存有較高的礦化度，含鹽量達到了1 000～3 000 mg/L，其中含有的離子主要有鈉離子、鉀離子等，這些離子將會吸附在液壓支架的表面，最終成為硬度極高的水垢。在堿性或者中性的環境下，水垢下方的基體與液壓支架其他位置有著不同的氧含量，形成了一種傳統的氧濃度差電池，使得水垢下方基體的腐蝕越來越嚴重，進而產生一種不完善的銹蝕層，該層與低電位的基體形成了一種電偶腐蝕，從而加快了支架的腐蝕。

1.5 細菌腐蝕

液壓支架在礦井下運用的傳動介質主要是一些水基液，如乳化油、微乳液等。這些液壓傳動介質具有較好的性能，如導熱、阻燃、冷卻等，但是在礦井中有著較高的細菌含量，支架十分容易受到細菌的腐蝕。液壓支架在礦井中發生細菌腐蝕的原因主要為硫酸鹽還原菌在發生新陳代謝的過程中對金屬材料所處的環境產生了影響，進而造成了金屬材料的腐蝕，形成一種腐蝕微電池，尤其是處于弱堿或者中性的環境。

2 液壓支架的表面防護方法

2.1 電鍍

電鍍是在外加電流的影響之下，在部件的表面進行鍍層的一種技術。

1）電鍍鉻。目前，液壓支架的各個零部件大多使用雙鉻，或者先使用錫青銅進行打底、再以硬鉻來制備復合鍍層。這種電鍍鉻的鍍層盡管具有較多的優勢，如硬度、耐磨性較高等，但是對微裂紋、空隙等較為敏感，在使用環節極易出現點制，而且沉積的速度較低、成本較高。利用同槽進行過渡，可以取得同質異構的三層鉻電鍍鍍層，該鍍層的內外都有著較好的性能，具有較好的耐磨性、潤滑性，與青銅或者雙鉻類的鍍層相對比，其沉積的速度得到顯著提升，且在濃度為3%～5%的鹽溶液中可以進行較長時間的浸泡[2]。

2）電鍍銅合金。近年來，液壓支架立柱油缸的內壁材料為電鍍銅和銅合金，可有效增強內壁的抗腐蝕性。內壁電鍍層或銅合金基本都是使用到氰化鍍銅技術，并且鍍層的厚度在超出了10μm 時，鍍層才會具備較低的孔隙度。為了更好地推廣這一技術，在鍍液之中添加檸檬酸鹽、焦磷酸鹽等，但是鍍層厚度必須要大于15μm，孔隙率才可以達到最佳。否則，空隙之內將會優先發生腐蝕，進而逐漸衍生到內部，導致鍍層出現脫落等問題。

2.2 化學鍍

通過運用該技術可以在液壓支架立柱的表面獲得Ni-P 鍍層，其硬度（HV）處于500～550 之間，經過一系列的處理之后，鍍層硬度（HV）可以達到800 以上，而且孔隙率較低、耐腐性較高。在經過了該技術制備了Ni-P-B 鍍層之后，經過熱處理之后其硬度（HV）可以達到1 000 之上，在礦井環境為堿性的時候，其腐蝕速度要比酸性環境更低。在27SiMn 鋼的表面制備以下兩種鍍層，分別為Ni-Ce-P 和Ni-Cu-Ce-P，結果發現這兩個鍍層均是非晶構造，在濃度為3.5%的氯化鈉溶液之中會出現鈍化。另外，Ni-Cu-Ce-P 鍍層要比Ni-Ce-P 鍍層有著更強的耐蝕性。如果鍍層為化學鍍Ni-B-P 鍍層，在經過熱處理之后，與其在基體之中的耐蝕性相比，鹽溶液之中為其5.40 倍，酸性溶液之中為其538.14 倍，堿性溶液之中為其7.91 倍，在模擬的環境中為其1.12～1.33 倍。

2.3 激光熔覆

這種技術指的是運用高能激光束來促使原料及基體可以同時熔化，經過迅速凝固之后可以形成一種熔覆層。采用X431-M2 鐵基合金霧化粉末來進行涂層，可以在27SiMn 鋼的表面形成一種熔覆層，這一涂層可以有效結合基體，也不會產生氣孔等缺點，而且在5%的氯化鈉溶液之中將會發生鈍化，耐腐性較好。為了保證熔覆層的Ni 含量可以得到提升和C 含量得到控制，可以利用JG-3Y 合金粉末來制備熔覆層，以獲得韌性較高、裂紋敏感性較低的熔覆層，從而有助于改善液壓支架的耐腐蝕性，延長支架的使用時間。但是在利用該技術來提升液壓支架使用性能的時候，基體表面十分容易發生氣孔，極大降低了支架的使用時間和耐腐性。

因此，通過對氣孔形成的原因進行分析，可以從以下幾點來降低涂層表面的氣孔數量，提升涂層的質量，擴大該技術的應用范圍。具體措施為：改善熔覆原料中的成分，其主要為提高脫氧元素的含量，對C 進行控制，還可以提升原料之中的預熱溫度及溫度維持時間，以降低原料之中的水分；對熔覆環節所需的保護氣體進行科學選擇，對其流量、純度等進行綜合考慮；完善相關的工藝參數，依據液壓支架的類型、大小、材料等來選擇激光熔覆的功率、激光掃描的速度等，以優化熔池的性能。

2.4 超音速火焰噴涂

這種方法大多用于碳化鎢合金涂層，通過運用該技術在27SiMn 鋼表面制備WC-Cr3C2-M 涂層，結果顯示涂層具有極高的抗磨性和硬度，且具有極低的孔隙率。同時，對比電鍍硬鉻涂層，這種涂層有著極高的致密性，不存在龜裂紋，這就使得一些具有腐蝕性的介質很難透過涂層進入基體之內，因此，較好地保護了基體。液壓支架運用涂層，并投入到礦井下工作之后的1 年，表面并沒有出現腐蝕問題。

2.5 冷噴涂

該方法指的是處于正常或較低的溫度之下，涂層所使用的材料粉末并沒有受到超音速氣、固兩相氣流的影響，由此沒有形成致密涂層，不存在高溫氧化等問題。采取低壓冷噴涂技術在受到損傷的鍍鉻桿表面層涂刷Cu-Zn，當兩者的比例為6∶4 時，運用該技術得到的涂層可以達到6 級以上的抗腐性能，主要是因為鋅可有效緩解鍍鉻層的腐蝕狀況。

通過有限元的方法來模擬激光，以此來起到輔助涂層的作用，針對Ni60 顆粒在27SiMn 鋼表層發生碰撞的速度、沉積的溫度等來影響噴涂的過程，結果發現顆粒在常溫之下的沉積速度保持800 m/s 時有著最佳的沉積效果。

3 結語

由于礦井下的環境質量較差，尤其是水體不具有均勻的酸堿度，而且環境中的溫濕度、粉塵等各不相同，液壓支架在礦井中發生腐蝕的形態及機理也各不相同。因此，對于礦井下具有的特殊環境，對液壓支架發生腐蝕的類型及機理進行詳細分析，并基于此來采取有效的措施進行防護，以提升液壓支架的抗腐蝕性和使用壽命，保證礦井生產的安全性。