綜采工作面刮板輸送機槽幫腐蝕和磨損機制*

李平輝 胡 純 柳明多 范秦政 李 悅 范 磊，，3，4

(1.鄭州煤礦機械集團股份有限公司 河南鄭州 450016；2.中國礦業(yè)大學(北京)機電與信息工程學院 北京 100083；3.中國礦業(yè)大學(北京)放頂煤開采煤炭行業(yè)工程研究中心 北京 100083；4.清華大學摩擦學國家重點實驗室 北京 100084)

在煤炭開采過程中，綜采裝備的使用使得開采效率大大提高，同時降低了開采過程中的事故率。刮板輸送機作為綜采三機的組成之一，是煤流輸運系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，其使用壽命和可靠性決定了煤炭的開采效率[1-2]。刮板輸送機主要由機頭部、中部槽、機尾部和附屬裝置組成。中部槽由中板和槽幫焊接而成，在整個刮板輸送機中中部槽占有很大的比重，中部槽的質(zhì)量占整機的70%左右。中部槽的使用壽命直接決定了刮板輸送機的使用效率和工作壽命[3]。

我國煤礦目前主要以地下開采為主，地下環(huán)境中空氣相對濕度很大，且礦井水中含有大量成垢離子和腐蝕離子，使得刮板輸送機中部槽腐蝕發(fā)生的概率大大增加[4-5]。另外在煤炭運輸過程中由于受到煤和矸石的摩擦作用使得材料發(fā)生磨損損失，降低刮板輸送機的使用壽命，影響煤炭開采效率[6-7]。中國礦業(yè)大學的史志遠[8]通過計算機模擬與實驗相結合，對中部槽試樣的磨痕、磨屑形貌、表層夾雜物進行了研究，解析了試樣的磨損形成、發(fā)展過程及誘發(fā)原因，獲得了磨損機制隨不同影響因素的變化規(guī)律；汪健[9]研究了BTW中錳鋼在模擬礦井水工況條件下的靜態(tài)腐蝕、滑動摩擦腐蝕、腐蝕磨料磨損以及沖擊腐蝕磨料磨損行為，發(fā)現(xiàn)BTW沖擊腐蝕磨損機制主要表現(xiàn)為犁溝切削磨損和鑿削磨損，同時伴隨局部的疲勞剝落；HD450鋼的犁溝槽和鑿削坑多且深，沖擊腐蝕磨損破壞相對加深；在3種礦井水腐蝕介質(zhì)條件下，BTW磨損層均存在位錯纏結、孿晶組織和馬氏體相變組織，其中馬氏體轉(zhuǎn)變量平均為32%左右，可以認為BTW鋼的耐磨強化為復合強化機制，包括位錯強化、孿晶強化和形變誘發(fā)馬氏體相變強化。

作為中部槽重要的組成部分，槽幫的壽命決定著中部槽的使用壽命。井下苛刻的運行環(huán)境會對槽幫產(chǎn)生腐蝕和磨損作用，影響其使用壽命[10-12]。本文作者對刮板輸送機的主要材料30SiMn進行腐蝕和磨料磨損性能研究，揭示其腐蝕和磨損機制，為槽幫的防護和新型耐磨材料的開發(fā)提供理論支撐，并為刮板輸送機各部件等壽命設計積累數(shù)據(jù)。

1 實驗材料及研究方法

1.1 實驗材料

文中選擇供貨態(tài)30SiMn鋼作為研究對象。30SiMn鋼屬于低合金高強度鋼，其中碳元素的質(zhì)量分數(shù)在0.3%左右，并加入了合金元素Si和Mn元素，目的主要是使Si元素和Mn元素固溶進鐵素體中，強化鐵素體同時降低鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,提高組織中珠光體的含量進一步提升組織的強度;同時加入了微量的Al使組織的晶粒細化進而提高了鋼的強度[13-17]。供貨態(tài)30SiMn鋼主要的熱處理方式為調(diào)質(zhì)處理，淬火加熱溫度為900 ℃，回火時的加熱溫度為570 ℃，冷卻時使用水或者油作為冷卻介質(zhì)[18]。表1給出了30SiMn鋼中各個元素含量[19-22]。30SiMn鋼屬于亞共析鋼，掃描電子顯微鏡下可以看到明顯的細粒狀珠光體以及等軸鐵素體組織，如圖1所示。

圖1 30SiMn鋼組織結構

1.2 材料硬度測試

材料耐磨性往往與硬度呈現(xiàn)一定的相關性，一般來說材料硬度越高耐磨性越好。利用TH-903萬能硬度計測量30SiMn鋼的硬度，測量規(guī)范選用洛氏硬度測量規(guī)范，硬度計壓頭為頂角120°的金剛石圓錐，采用五點測量法測量材料硬度。

1.3 磨料磨損實驗

使用ML-130E型干式橡膠輪磨粒磨損試驗機對30SiMn鋼進行磨料磨損實驗。選擇粒徑40～70目的石英砂作為磨料，橡膠輪轉(zhuǎn)速為200 r/min，磨損時間為10 min，砂流速度約為340 g/min。試驗機工作原理如圖2所示。對30SiMn鋼進行5次磨損實驗，對磨損后的試樣進行超聲清洗和真空烘干，測量試樣磨損質(zhì)量；采用日本日立公司生產(chǎn)的S-3400 N型掃描電子顯微鏡對磨損后的30SiMn鋼進行組織結構觀察,實驗條件為工作電壓為30 kV，工作距離為10～13 mm，成像方式為二次電子成像。

圖2 磨損試驗機工作原理

1.4 腐蝕實驗

由WANGER和TRAND提出的疊加原理和混合電位原理，腐蝕體系的動力學方程可以被推導出來。當電極的陽極和陰極的局部反應均為電荷傳遞控制而且濃差極化可以忽略時，金屬腐蝕的一般速度方程可表示為

(1)

(2)

式中：icorr表示電極的自腐蝕電流；ΔE為電極電位和腐蝕電位的差值；ba、bc表示陽極和陰極的塔菲爾常數(shù)；vcorr表示腐蝕速度；F為法拉第常數(shù)；W表示金屬的原子量；n表示金屬離子的價數(shù)；N表示金屬克當量的質(zhì)量。

1.4.1 電化學實驗

將三頸燒瓶用去離子水洗凈，放入配置好的模擬礦井水溶液作為腐蝕介質(zhì)。根據(jù)某礦井礦井水成分組成，模擬礦井水溶液的成分如表2所示。將制作好的測試電極同參比電極、鉑電極插入三頸燒瓶中按照順序與電化學工作站的接頭連接。打開電化學工作站開啟測試軟件，首先測量測試電極的開路電位;測試電極的開路電位確定后，測量電極的極化曲線和阻抗圖譜。

表2 模擬礦井水溶液成分及pH值

1.4.2 浸泡實驗

將制備好的試樣采用XEL200型電子天平(精度為0.000 1 g)稱量，記錄試樣質(zhì)量并對試樣進行編號，分為4組后放置于燒杯中，加入配置好的模擬礦井水溶液，同時將燒杯放入HH-ZKB型恒溫水浴箱中，溫度保持在40 ℃，保溫時長分別為7天(1號)、14天(2號)、21天(3號)、28天(4號)。保溫結束后，取出試樣稱量其質(zhì)量，計算各試樣質(zhì)量損失。

1.5 磨損及腐蝕形貌觀察

利用日本日立公司生產(chǎn)的S-3400N型掃描電子顯微鏡觀察30SiMn鋼磨損及腐蝕后的表面形貌，并結合腐蝕理論模擬計算，揭示其磨損和腐蝕機制。

2 實驗結果及分析

2.1 30SiMn鋼硬度

30SiMn鋼試樣硬度測試結果如表3所示。試樣平均硬度為220.94HB,由于30SiMn鋼常溫下組織為回火索氏體，決定了其在常溫下硬度要低于傳統(tǒng)馬氏體耐磨鋼。

表3 30SiMn鋼洛氏硬度

2.2 30SiMn鋼磨損性能

對30SiMn鋼進行磨料磨損測試，得到試樣磨損質(zhì)量損失如圖3所示。在相同磨損條件下，30SiMn鋼的平均磨損質(zhì)量損失為2.516 8 g。磨料磨損實驗后，對其磨損形貌進行觀察，如圖4所示。從材料微觀形貌可以看出，當磨料沖擊和劃過材料表面時，在磨料的切向切削作用下，30SiMn鋼表面出現(xiàn)了大量微犁溝與微切削區(qū)，且劃痕深度大、截面寬。這說明，在煤炭運輸過程中，30SiMn鋼受到煤和矸石的沖擊、磨損作用造成較大程度的材料損失，降低了槽幫的使用壽命和可靠性。

圖3 30SiMn鋼磨損質(zhì)量損失

圖4 30SiMn鋼磨損后表面形貌

2.3 30SiMn鋼腐蝕性能分析

2.3.1 30SiMn鋼電化學分析

通過電化學實驗，得到30SiMn鋼的極化曲線如圖5所示。使用Cview2軟件對極化曲線進行擬合，通過擬合計算，得到30SiMn鋼的自腐蝕電流為1.207 4×10-6A/cm2，通過計算得到30SiMn鋼的年化腐蝕速度為0.113 8 mm/年。

圖5 30SiMn鋼的極化曲線

電化學實驗等效電路如圖6所示。其中Rs表示參比電極和測試電極之間溶液的電阻，相當于溶液中離子傳輸?shù)淖枇Γ籖ct表示法拉第阻抗。對阻抗圖譜數(shù)據(jù)進行擬合得到Rs為86.92 Ω，Rct的值為1 384 Ω。從擬合后的數(shù)據(jù)可以看出Rct的值明顯大于Rs的值，說明在腐蝕過程中影響腐蝕速率的主要因素是電化學反應的過程。由圖7可以看出，30SiMn鋼只存在一個容抗弧，且容抗弧不是規(guī)則的半圓，說明電極/電解質(zhì)界面并不均勻，Cd的值為833.8 μF·cm，在腐蝕過程中在金屬電極的表面生成了疏松多孔的含水固體產(chǎn)物，使得界面電容變得很大。

圖6 電化學等效電路

圖7 30SiMn鋼阻抗圖譜

2.3.2 30SiMn鋼腐蝕形貌分析

對30SiMn鋼進行腐蝕浸泡實驗，腐蝕7、14、21、28天后試樣質(zhì)量損失分別為0.016 9、0.057 7、0.072 9、0.091 0 g ,試樣表面形貌如圖8所示。第7天時材料表面出現(xiàn)了大量溝壑，此時發(fā)生了較為明顯的晶界腐蝕，出現(xiàn)溝壑的地方為晶界的位置。隨著時間的增長晶界的腐蝕越來越嚴重,在第14天時，晶界消失且表面開始出現(xiàn)團絮狀物;在第21天時，試樣表面團絮狀物質(zhì)增多，且有脫落傾向；在第28天后晶界處已經(jīng)出現(xiàn)明顯的縫隙，局部區(qū)域還發(fā)生了剝落的現(xiàn)象且有團絮狀物產(chǎn)生。在礦井水環(huán)境中，30SiMn鋼會從晶界發(fā)生腐蝕，隨時間推移，腐蝕愈發(fā)嚴重，最終晶界消失，材料表面結合度降低，發(fā)生剝落現(xiàn)象，宏觀表現(xiàn)為材料腐蝕破壞。

圖8 30SiMn鋼腐蝕后表面形貌

2.3.3 30SiMn鋼腐蝕模擬分析

圖9 Fe晶體結構

圖10 Fe對吸附模型

3 結論

(1)室溫下30SiMn鋼平均硬度為220.94HB，在文中磨損條件下，30SiMn鋼的平均磨損質(zhì)量損失為2.516 8 g，當磨料沖擊和劃過材料表面時，在磨料的切向切削作用下，30SiMn鋼表面出現(xiàn)了微犁溝與微切削區(qū)，且劃痕深度大、截面寬。

(2)30SiMn鋼的自腐蝕電流為1.207 4×10-6A/cm2，年化腐蝕速度為0.113 8 mm/年。

(3)30SiMn鋼在礦井水環(huán)境中主要以晶界腐蝕為主，晶界處率先發(fā)生腐蝕，隨時間推移，材料表面有團絮狀物質(zhì)產(chǎn)生且腐蝕現(xiàn)象加劇，最終材料在晶界處產(chǎn)生裂縫并伴隨著剝落現(xiàn)象的發(fā)生。