朱 瑾,陳華輝,滕 子,馬 峰

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

煤炭作為世界上最重要的基礎(chǔ)能源之一，在大力倡導(dǎo)綠色發(fā)展的今天，仍有著任何其他能源都不可取代的地位[1]。隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，煤炭綜采設(shè)備已經(jīng)在煤炭開采中占據(jù)主導(dǎo)地位。刮板輸送機(jī)，作為現(xiàn)代煤礦綜采的核心設(shè)備，其失效將直接影響煤礦的生產(chǎn)效率。刮板輸送機(jī)主要由電機(jī)、減速器、液力耦合器、中部槽等組成[2]。其中，中部槽作為整個(gè)刮板輸送機(jī)的核心部分，承擔(dān)了刮板輸送機(jī)大部分的載荷，因此，中部槽的失效將直接決定刮板輸送機(jī)的壽命[1]。

中部槽主要由中板、槽幫、底板、行走機(jī)構(gòu)等組成[2]。在井下復(fù)雜多變的工作環(huán)境下，中板承擔(dān)著煤及煤中硬質(zhì)礦物、刮板和刮板鏈的磨損，其磨損類型一般包括磨料磨損、黏著磨損、疲勞磨損及腐蝕磨損的綜合效應(yīng)，根據(jù)井下條件的不同，磨損類型也不完全相同[3]。在實(shí)際工況中，中板上刮板鏈的鏈道處是中板磨損最為嚴(yán)重的區(qū)域，鏈道處的磨損將直接影響刮板輸送機(jī)的壽命[4]，刮板鏈和中板以及進(jìn)入它們之間的硬質(zhì)礦物，形成三體磨損，是典型的磨料磨損。因此，對(duì)刮板輸送機(jī)中板用耐磨鋼板進(jìn)行磨粒磨損性能的評(píng)價(jià)，對(duì)安全生產(chǎn)和節(jié)約資源均有著極為重要的意義。

筆者采用的刮板輸送機(jī)運(yùn)用新型耐磨鋼材料，是鋼鐵研究總院研發(fā)的一系列含Ti的低合金耐磨鋼種。冶煉時(shí)添加一定量的Ti，原位析出的TiC經(jīng)由熱軋過程，形成不同尺寸、不同形狀的TiC顆粒，達(dá)到了細(xì)化晶粒，增強(qiáng)鋼板耐磨性的目的。筆者著重探索了該耐磨鋼的組織、相結(jié)構(gòu)和硬度，研究了在不同磨料作用下耐磨鋼的磨料磨損機(jī)理，分析了Ti在新型耐磨鋼抗磨料磨損行為中的作用。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)材料

根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)含Ti量不超過0.60%時(shí)研制鋼具有較佳的綜合加工性能，若Ti含量過高，易引起焊接開裂。所以試驗(yàn)材料選用新型耐磨鋼板Ti20與Ti60，以比較含Ti量的影響以及原位形成的TiC對(duì)鋼耐磨性的影響及作用機(jī)理，其化學(xué)成分見表1。耐磨鋼板的生產(chǎn)工藝過程如下:煉鋼—精煉—VD/RH真空處理—連鑄坯—鋼坯加熱—軋制—淬火(900 ℃水淬)—回火(200 ℃空冷)—成品板。

表1 耐磨鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of wear resistant steels %

對(duì)比鋼為馬氏體耐磨鋼Hardox450。Hardox450是常用于礦業(yè)和建筑機(jī)械的低合金耐磨鋼，具有高的強(qiáng)韌性，良好的成形性和可焊性。

1.2 磨料磨損試驗(yàn)

根據(jù)對(duì)失效中板的磨損形貌分析，認(rèn)為中板的嚴(yán)重磨損區(qū)域在鏈道處，主要是煤中的硬質(zhì)礦物造成中板的磨料磨損。因此，本磨損實(shí)驗(yàn)中，選用石英砂和煤與石英砂混合磨料兩種磨料進(jìn)行磨損試驗(yàn)。磨料磨損試驗(yàn)在MLG-130干式橡膠輪磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)示意如圖1所示。磨損試樣尺寸為75.0 mm×25.5 mm×6.0 mm。橡膠輪直徑為178 mm。根據(jù)ASTM-G65 干砂橡膠輪磨料磨損實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[9]，選擇130 N載荷，橡膠輪轉(zhuǎn)速為200 r/min，磨損時(shí)間為10 min(轉(zhuǎn)數(shù)為2 000 r)。磨料為40～70目的石英砂，砂流速約為340 g/min。

圖1 磨損試驗(yàn)機(jī)示意Fig 1 Schematic diagram of test apparatus

為模擬中板的服役工況，選用60目無煙煤+5%石英砂作為混合磨料，所用磨粒形貌如圖2所示?；旌夏チ现忻悍哿６缺燃兪⑸靶。w粒尺寸不均勻，石英砂是棱角尖銳的顆粒，而煤粉顆粒較為圓鈍。由于煤與石英砂密度相差較大，煤粉質(zhì)量較輕，因此在閥門均完全開啟時(shí)，所測(cè)得的砂流速約為110 g/min。在電子天平上測(cè)量樣品的質(zhì)量損失，天平測(cè)試精度為0.000 1 g。

圖2 磨損試驗(yàn)所用磨料Fig.2 Abrasives used in abrasion testing

1.3 分析方法

利用掃描電鏡LEO-1450觀察新型耐磨鋼的顯微組織和磨損形貌。X射線衍射儀PANalytical AERIS分析新型耐磨鋼板的相結(jié)構(gòu)，采用Cu靶Kα輻射，管電壓 40 kV，電流為15 mA，測(cè)量范圍為10°～90°。采用HBRVU-187.5型布洛維光學(xué)硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行洛氏硬度HRC測(cè)試，測(cè)量載荷為1 471 N，加載時(shí)間15 s;為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)試樣至少測(cè)量5個(gè)點(diǎn)，然后取其平均值作為最終硬度數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 新型耐磨鋼板的顯微組織

如圖3所示，Hardox450及含Ti的Ti20，Ti60的顯微組織由不同方向的板條組成，是板條馬氏體。原奧氏體晶粒被許多取向不同的馬氏體束分割。隨著Ti含量增加，原奧氏體晶粒度減小，馬氏體束的長(zhǎng)度減小，說明Ti的存在，起到了細(xì)化晶粒的作用。

圖3 試驗(yàn)鋼的顯微組織Fig.3 Microstructure of tested steels

XRD分析結(jié)果如圖4所示，紅線所示為α-Fe的標(biāo)準(zhǔn)X射線衍射峰，藍(lán)線所示為TiC的標(biāo)準(zhǔn)衍射峰。Ti20和Ti60與 Hardox450的相結(jié)構(gòu)一樣均為α-Fe。馬氏體為α-Fe的過飽和固溶體，可知Ti20和Ti60為板條馬氏體組織。

圖4 試驗(yàn)鋼的XRD衍射圖譜及α-Fe與TiC的標(biāo)準(zhǔn)衍射峰Fig.4 XRD patterns of tested steels and standard X-ray diffraction peak

在圖3(b)，(c)中，可以觀察到在Ti20和Ti60原奧氏體晶界處有不規(guī)則的黑色多邊形顆粒生成，顆粒尺寸為1～5 μm，其中Ti20所生成顆粒尺寸和數(shù)量明顯小于Ti60。對(duì)黑色區(qū)域用EDS進(jìn)行元素面分布檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)Ti元素集中分布在多邊形顆粒區(qū)域(圖5)。由于Ti為強(qiáng)碳化物形成元素，只要有足夠的C，在適當(dāng)?shù)臈l件下會(huì)形成TiC顆粒[10]，因此，Ti20和Ti60組織中的多邊形顆粒為TiC顆粒。TiC顆粒的存在，一方面對(duì)奧氏體晶界起釘扎作用，阻止其長(zhǎng)大;另一方面，Ti與C生成TiC，使碳在固溶體中的固溶度降低，從而減小了碳對(duì)γ-Fe點(diǎn)陣結(jié)合力的影響，阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大[10]。因此，Ti20和Ti60的晶粒度明顯低于Hardox450，隨著含Ti量的升高，晶粒度減小。由于TiC含量太少，所以XRD難以檢測(cè)出來。但Ti60可在20°～30°及60°～70°附近看到微弱的TiC峰。

圖5 試驗(yàn)鋼的Ti元素面分布Fig.5 Distribution of Ti element in tested steels

2.2 新型耐磨鋼板的硬度

表2為試驗(yàn)鋼的HRC硬度。與Hardox450比，Ti20和Ti60的硬度相差不大，甚至稍低于Hardox450。由圖3可知，原位生成的TiC顆粒尺寸僅為1～5 μm，含量也較少，沒有對(duì)鋼板基體硬度產(chǎn)生較為明顯的影響。

表2 試驗(yàn)鋼的硬度Table 2 Hardness of tested steels

2.3 新型耐磨鋼板的磨料磨損性能

2.3.1石英砂磨料

在石英砂磨料作用下，試驗(yàn)鋼的磨損失重和相對(duì)耐磨性如圖6所示。與Hardox450相比，Ti的加入降低了磨損時(shí)的質(zhì)量損失，即隨著Ti含量的增加，磨損失重減少。

三體磨料磨損試驗(yàn)的磨損率用相對(duì)耐磨性β[11]表示

其中，ΔX1和ΔX2分別為對(duì)比鋼Hardox450和新型耐磨鋼Ti20與Ti60的磨損質(zhì)量損失(3個(gè)平行試樣的平均值);ρ1和ρ2分別為兩種鋼的密度。β增加表示鋼的耐磨性增加。

根據(jù)磨損失重計(jì)算相對(duì)耐磨性系數(shù)β，Ti20和Ti60的相對(duì)耐磨性系數(shù)分別為1.07和1.293。這表明:在石英砂磨粒的作用下，加入Ti的鋼的耐磨性最高可為Hardox450的耐磨性的1.3倍。

圖7為3種試驗(yàn)鋼的磨損形貌，其中，圖7分別為不含Ti的Hardox450、Ti含量約為0.2%的Ti20和Ti含量約為0.6%的Ti60。在石英砂磨料作用下，3種耐磨鋼的磨損形貌以微犁削為主，是典型的磨料磨損形貌。如圖7(a)所示，Hardox450磨損表面的犁溝方向比較規(guī)則，犁溝較長(zhǎng)和較深，紅框1區(qū)域即為磨損表面較長(zhǎng)的犁溝。Ti20和Ti60的犁溝長(zhǎng)度和深度隨著Ti含量的增加而減小。如圖7(b)紅框3和4區(qū)域所示，Ti20表面深度變淺，3區(qū)域還存在犁溝受到阻礙，方向偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。當(dāng)Ti含量為0.6%時(shí)，如圖7(c)所示，磨損表面已經(jīng)不存在長(zhǎng)犁溝。因此，Ti的加入能夠改善試驗(yàn)鋼的耐磨性，當(dāng)Ti含量為0.6%時(shí)，耐磨性最好。

圖7 石英砂磨料作用下試驗(yàn)鋼的磨損形貌Fig.7 SEM images of worn appearance of tested steels worn by quartz sand

2.3.2煤粉與石英砂混合磨料

為模擬刮板輸送機(jī)在井下工作時(shí)的工況，選用60目無煙煤+5%石英砂作為磨料。由圖1可知，石英砂顆粒較為尖銳，而混合磨料顆粒比較圓鈍。

在煤粉與石英砂混合磨料作用下，3種鋼的磨損試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。與石英砂磨料相比，煤粉與石英砂混合磨料作用時(shí)，磨損失重大幅降低，僅為石英砂磨料的4%左右。這是因?yàn)槭⑸傲髁勘让悍鄞?，而且石英砂的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤，且較為尖銳，尖銳的石英砂棱角在法向力的作用下壓入材料表面，形成圖6所示的犁溝。在表面反復(fù)受到犁削和塑性變形的情況下，材料發(fā)生剝落，磨損較嚴(yán)重。而混合磨料中石英砂僅占5%，主要成分煤粉的硬度遠(yuǎn)低于石英砂，是軟磨料磨損，此時(shí)，犁削效率非常低，磨損量很小。

圖8 煤粉與石英砂混合磨料作用下試驗(yàn)鋼的磨損失重及相對(duì)耐磨性Fig.8 Wear weight loss and relative wear resistance of tested steels worn by mixed abrasive of quartz sand and coal powder

在磨料為混合磨料的條件下，與Hardox450相比，Ti的加入仍降低了鋼的磨損，并且隨著Ti含量的增加，磨損失重減少，耐磨性增加。根據(jù)磨損失重獲得的相對(duì)耐磨性系數(shù)β直觀地反映了加入Ti后耐磨性的變化，在煤粉和石英砂混合磨料作用下，Ti60的耐磨性約為Hardox450的1.28倍。

圖9為煤粉磨料作用下，載荷130 N時(shí)試驗(yàn)鋼隨著Ti含量增加，似乎更易發(fā)生塑性變形。如圖9(a)所示，Hardox450在切削槽處有較多的材料脫落，形成如區(qū)域1，2所示的較深的切削槽。此外，在法向力的作用下，磨粒被壓入試樣表面，在表面形成如區(qū)域3所示的壓坑或斷裂。隨著Ti的加入，磨損表面上的這種損傷逐漸減少，可能是由于Ti的加入細(xì)化了晶粒，增加了韌性，在磨損時(shí)塑性變形分量增加。

圖9 煤粉與石英砂混合磨料作用下試驗(yàn)鋼的磨損形貌Fig.9 SEM images of worn appearance of tested steels worn by mixed abrasive of quartz sand and coal powder

2.4 新型耐磨鋼的磨損機(jī)理

如上所述，Ti的加入細(xì)化了晶粒，在硬質(zhì)的石英砂和軟質(zhì)的煤粉磨料作用下，新型耐磨鋼的抗磨料磨損性能都得到了提高，且Ti含量越高，耐磨性越好，當(dāng)Ti含量為0.6%時(shí)，耐磨性約為Hardox450的1.3倍。

圖10(a)為在石英砂作用下Ti60的局部磨損形貌，圖10(b)為Ti元素在圖10(a)所示局部的面分布圖，圖10(c)為Ti元素在圖10(a)所示磨損形貌的面分布示意。在三體磨料磨損條件下，石英砂顆粒以滾動(dòng)和滑動(dòng)的混合形式通過試樣表面。由于Ti60具有一定的韌性，因此磨損機(jī)制主要為微犁削，如圖10(a)所示。在磨粒作用于材料表面時(shí)，材料更容易被推向兩旁和邊緣而不發(fā)生斷裂，形成如圖所示的犁溝。當(dāng)受到隨后的磨料作用時(shí)，犁溝兩側(cè)堆積的材料可能被重新壓平，也可能使已變形的材料受到再一次的犁溝變形[12]。如此反復(fù)塑變，材料不足以承受外力而發(fā)生剝落，也可能由于加工硬化而變脆，最終發(fā)生剝落產(chǎn)生磨屑。

Ti集中區(qū)域沒有明顯的犁溝，表面為塑性變形擠壓坑，犁溝則從2區(qū)域的兩側(cè)劃過，這表明:在TiC析出的局部區(qū)域，硬度比馬氏體基體高，對(duì)磨料起到阻礙作用，因此更加耐磨。

同樣的情況也發(fā)生在煤粉與石英砂混合磨料情況，如圖11所示。圖11(a)中紅色框區(qū)域?qū)?yīng)的為圖11(b)中Ti元素集中區(qū)。犁溝在經(jīng)過區(qū)域1時(shí)，被TiC阻止，使溝槽形狀發(fā)生改變。而犁溝在經(jīng)過2區(qū)域后，深度明顯減小。3，4區(qū)域雖然沒有明顯的阻止犁削行為，但在3區(qū)域，一條較深的犁削窄槽在經(jīng)過3后，深度變淺，而在4區(qū)域，只有較淺的犁削劃痕。

如2.1節(jié)所述，Ti為強(qiáng)碳化物形成元素，在新型耐磨鋼中主要存在形式為TiC顆粒。由于TiC顆粒是Ti元素與C元素原位生成，粒度為1～5 μm，且與基體結(jié)合緊密，因此，在磨損表面上很難從形貌上分辨出TiC顆粒與基體。用EDS面掃描的方法對(duì)磨損形貌進(jìn)行Ti元素的檢測(cè)，Ti元素集中區(qū)應(yīng)為TiC顆粒存在的區(qū)域。雖然難以像外加顆粒一樣直觀地看到TiC顆粒對(duì)于犁溝的阻止作用，但根據(jù)以上分析，TiC存在的區(qū)域附近出現(xiàn)了犁溝分叉和變淺以及Ti集中區(qū)域形貌較為光滑等特征，可以判定，TiC的存在，起到了局部強(qiáng)化作用。盡管析出的少量微米TiC顆粒沒有提高鋼的整體硬度，但TiC彌散分布在馬氏體基體中，對(duì)其周圍的區(qū)域產(chǎn)生了局部強(qiáng)化，提高了局部硬度和對(duì)磨料的阻礙作用，使得新型耐磨鋼Ti20與Ti60的耐磨料磨性能都得到了提高。

3 結(jié) 論

(1)新型耐磨鋼Ti20與Ti60的顯微組織與馬氏體耐磨鋼Hardox450類似，為板條馬氏體。Ti為強(qiáng)碳化物形成元素，與C在奧氏體晶界處原位生成形狀不規(guī)則的TiC顆粒，尺寸為1～5 μm。TiC顆粒釘扎奧氏體晶界，阻止了晶粒長(zhǎng)大，因此Ti20與Ti60的晶粒度均小于Hardox450，且隨著Ti含量的增加，鋼的晶粒度減小。

(2)鋼在石英砂磨料的微犁削溝槽深度和寬度遠(yuǎn)大于煤的磨損。無論在石英砂還是煤的磨損條件下，鋼的磨損失重都隨著Ti的增加而降低，Ti含量越高，磨損失重越小。Ti60的耐磨性最高可達(dá)Hardox450的1.3倍。

(3)盡管新型耐磨鋼的整體硬度沒有提高，但Ti與C原位生成的TiC顆粒彌散分布在基體中，起到了局部強(qiáng)化作用，提高了周圍區(qū)域的硬度和對(duì)磨料的阻礙作用，提高了新型耐磨鋼Ti20與Ti60的耐磨性。