發(fā)布日期：1-17                   來(lái)源：豆丁網(wǎng)

  磨損是煤礦機(jī)械零部件在使用過(guò)程中最主要的失效形式。除了材料自身磨損失效外，還需頻繁更換零件，造成生產(chǎn)率下降，進(jìn)而導(dǎo)致材料和能源的極大浪費(fèi)。等離子束流表面熔覆技術(shù)通過(guò)在金屬材料表面獲得與之呈冶金結(jié)合的具有耐磨、耐蝕、耐熱性能的熔覆層，實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)其使用壽命的目的，此技術(shù)在解決磨損問(wèn)題方面得到了廣泛應(yīng)用。

  本文針對(duì)刮板輸送機(jī)中部槽的工況和材質(zhì)設(shè)計(jì)了兩種高鉻鑄鐵型鐵基自熔性合金粉末，采用等離子束流表面熔覆技術(shù)在其表面進(jìn)行熔覆。通過(guò)金相組織觀察、掃描分析及能譜分析、X-射線衍射分析、硬度測(cè)試、磨損試驗(yàn)及磨損試樣磨損面的觀察，系統(tǒng)地研究了熔覆工藝參數(shù)、化學(xué)成分對(duì)熔覆層組織和性能的關(guān)系，探討了熔覆層的磨損機(jī)理，并進(jìn)行了井下生產(chǎn)試驗(yàn)。

  影響表面熔覆層質(zhì)量的因素眾多且存在交互作用。在設(shè)定噴嘴與基材間的高度為24-26mm和離子氣量為10L/min的條件下，設(shè)計(jì)正交表對(duì)其工藝進(jìn)行極差分析，以熔覆層的稀釋率和形狀系數(shù)作為檢驗(yàn)指標(biāo)，得出各因子影響順序?yàn)椋喝鄹搽娏?/span>>熔覆速度>送粉量。優(yōu)化后的熔覆工藝方案為：熔覆電流I為220A，熔覆速度V為380mm/min，送粉量M為50g/min。試驗(yàn)性試驗(yàn)表明，該工藝參數(shù)滿足熔覆層對(duì)稀釋率和形狀系數(shù)的要求。

  熔覆層的組織均由奧氏體枝晶、合金碳化物或硼化物及枝晶間的共晶體組成。對(duì)比高碳配方（Fe01）和高硼配方（Fe02-Fe05）熔覆層的物相，結(jié)果表明，前者熔覆層物相主要由γ-（Fe）和（Cr，F(xiàn)e）7C3相組成；后者熔覆層物相主要由γ-（Fe）和（Cr，F(xiàn)e）2B、和Fe2B相組成?；牡臒嵊绊憛^(qū)分為過(guò)熱區(qū)、相變?cè)俳Y(jié)晶區(qū)和不完全再結(jié)晶區(qū)。研究表明：等離子束流表面熔覆層的凝固是快速非平衡動(dòng)態(tài)凝固過(guò)程，熔池中的液態(tài)金屬在等離子束流的作用下，發(fā)生著強(qiáng)烈地對(duì)流運(yùn)動(dòng)并以非均勻形核方式凝固，沿著與熱流相反的方向從基材向熔池中心凝固，靠近基材部位形成粗大的樹枝晶，熔池中心為等軸晶，邊緣部位較為細(xì)小的等軸晶。

  通過(guò)對(duì)熔覆層性能測(cè)試，結(jié)果表明：由基體至熔覆層表面大致呈梯形分布，配方Fe04熔覆層顯微硬度和表面洛氏硬度值最高；Q235鋼、16Mn鋼試樣的磨損形式主要是犁溝，試樣表面出現(xiàn)大塊剝落的現(xiàn)象；配方Fe04熔覆層試樣的磨損形式為微切削磨損，耐磨性最好，其耐磨性分別是Q235鋼的5.7倍、16Mn鋼的5.1倍，其余配方熔覆層試樣的磨損形式主要是微觀切削，耐磨性次于配方Fe04。

  利用優(yōu)化得到的等離子束流表面熔覆工藝參數(shù)，使用Fe04配方合金粉末，對(duì)40T、40TX中部槽進(jìn)行熔覆處理，得到具有最高硬度值和相對(duì)耐磨性能的熔覆層。將經(jīng)熔覆護(hù)理后的40T、40TX中部槽投入井下進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明：在同等工況下，和普通的中部槽相比，其使用壽命可延長(zhǎng)2倍以上。

  關(guān)鍵詞：磨損；等離子束流；表面熔覆；顯微組織；耐磨性；中部槽

1.1 引言

  我國(guó)煤炭資源十分豐富，含煤面積55萬(wàn)平方公里，已探明的煤炭?jī)?chǔ)量達(dá)7241.16億噸。煤炭資源是我國(guó)重要的基礎(chǔ)能源，在今后一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，我國(guó)煤炭工業(yè)將繼續(xù)保持旺盛的發(fā)展趨勢(shì)，據(jù)專家計(jì)算，2010年以后，中國(guó)的能源需求總量將超過(guò)25億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。然而，我國(guó)煤炭行業(yè)卻面臨著技術(shù)落后、生產(chǎn)效率低下、機(jī)械設(shè)備壽命短等問(wèn)題。其中磨損是金屬零件失效的三種主要形式（磨損、腐蝕和斷裂）之一。為解決煤礦機(jī)械零部件在使用過(guò)程中得磨損問(wèn)題，國(guó)內(nèi)企業(yè)采用進(jìn)口耐磨合金鋼板，但是由于其價(jià)格較高且焊接性能較差而難以推廣。隨著科技的不斷發(fā)展，表面強(qiáng)化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備，以改善材料使用性能和使用壽命，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

  表面強(qiáng)化技術(shù)是表面工程的核心內(nèi)容，是通過(guò)物理、化學(xué)、機(jī)械等手段來(lái)改變固體材料表面的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，使產(chǎn)品滿足各種工況環(huán)境的需要和延長(zhǎng)其使用壽命的方法總稱。等離子束流表面熔覆技術(shù)是繼普通堆焊技術(shù)、激光熔覆技術(shù)和等離子噴涂/噴焊技術(shù)之后發(fā)展的表面強(qiáng)化新技術(shù)。相比來(lái)講，堆焊焊層表面比較粗糙，夾渣氣孔多，效率低，硬度不均勻；激光熔覆過(guò)程中激光熱量分布均勻，可控性強(qiáng)，熔覆層質(zhì)量?jī)?yōu)良，但設(shè)備昂貴，難以工業(yè)化推廣；等離子噴涂/噴焊涂層耐磨性能差，涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度低。與之相比，等離子束流表面熔覆技術(shù)具有突出的優(yōu)點(diǎn)：等離子束流能量密度大，熱影響區(qū)小；熔覆層與基材結(jié)合強(qiáng)度高；熔覆層表面質(zhì)量好，形狀及厚度容易控制，熔覆效率高；可選用鐵基、鎳基、鈷基自熔性粉末作為熔覆材料來(lái)獲得耐磨、耐蝕、耐高溫等各種特殊性能的熔覆層，適用于各類機(jī)械零件的表面防護(hù)和修復(fù)。

  等離子束流表面熔覆技術(shù)的主要目的是通過(guò)在金屬材料表面獲得呈冶金結(jié)合的具有耐磨、耐蝕、耐熱性能的熔覆層，以滿足機(jī)械零部件的工況要求，延長(zhǎng)其使用壽命?；谋砻嫒鄹矊拥馁|(zhì)量和性能受眾多因素影響，本文通過(guò)大量的試驗(yàn)重點(diǎn)研究了熔覆工藝、合金粉末成分等因素對(duì)熔覆層形貌、組織結(jié)構(gòu)及耐磨性能的影響規(guī)律，并優(yōu)化出最佳工藝參數(shù)，為工程應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。

1.2 研究背景

  礦山機(jī)械是直接用于礦物開(kāi)采和富選等作業(yè)的設(shè)備，在其過(guò)程中，各種礦石、巖石砂土等于機(jī)械零部件產(chǎn)生不可避免的摩擦、磨損作用，導(dǎo)致礦山機(jī)械失效，造成材料和能源的巨大損失。我國(guó)產(chǎn)煤量居世界第一，為維持煤炭在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的基礎(chǔ)地位，要求煤炭工業(yè)維持巨大的生產(chǎn)規(guī)模。刮板輸送機(jī)是煤炭裝運(yùn)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，是采煤工作面最主要的運(yùn)輸裝置，其能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)在很大程度上決定了采煤工作面的生產(chǎn)額能力和效率。

1.3 工作原理

  等離子束流表面熔覆技術(shù)是一種類似于“原位合成技術(shù)”的新工藝、新技術(shù)。它的工作原理是通過(guò)PLC控制模塊及伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)兩軸或三軸運(yùn)動(dòng)，操作控制面板實(shí)現(xiàn)熔覆參數(shù)的設(shè)定和熔覆圖形的選擇，等離子炬按照既定程序在基材表面完成軌跡。高能量的等離子束流作為熱源，在基材表面形成熔池，合金粉末通過(guò)送粉器傳輸至熔池中，在高溫作用下，合金粉末完全熔化同時(shí)基材表面微熔，熔池中合金粉末吸收能量發(fā)生強(qiáng)烈的物理化學(xué)反應(yīng)，形成一系列的強(qiáng)化相。隨著等離子炬的不斷移動(dòng)，熔池后端的液態(tài)金屬迅速凝固，形成與基材呈冶金結(jié)合的高合金熔覆層，熔池的前端則不斷重復(fù)著熔化、反應(yīng)、凝固等過(guò)程，形成新的熔覆層。等離子束流表面熔覆是快速非平衡凝固過(guò)程，是具有成本低、效率高、熔覆層質(zhì)量?jī)?yōu)良等特點(diǎn)的表面強(qiáng)化技術(shù)，應(yīng)用前景十分廣闊。

1.4 技術(shù)特點(diǎn)

  （1）熱源的特點(diǎn)

  等離子體作為物質(zhì)存在的一種基本體態(tài)，按其溫度計(jì)電商程度可分為三大類，等離子束流表面熔覆技術(shù)所利用的是高溫低壓等離子體。由等離子體形成過(guò)程可將等離子弧分為三種：非轉(zhuǎn)移型、轉(zhuǎn)移型和聯(lián)合型。

  等離子束流表面熔覆技術(shù)采用聯(lián)合型等離子弧做為熱源，即選用兩臺(tái)獨(dú)立的直流弧焊機(jī)作電源，分別在鎢極和噴嘴之間、噴嘴和基材之間形成非轉(zhuǎn)移弧和轉(zhuǎn)移弧。隨等離子炬的移動(dòng)，合金粉末進(jìn)入弧柱內(nèi)，瞬間被加熱至熔化狀或半熔化狀態(tài)，到達(dá)基材表面熔池后充分熔化，凝固后形成高密度、高性能的熔覆層。

（2）凝固特性

  等離子束流表面熔覆過(guò)程是動(dòng)態(tài)的熔化、凝固過(guò)程，即隨著等離子炬的移動(dòng)，熔覆層同時(shí)進(jìn)行著熔化和凝固。

  在熔覆過(guò)程的初始階段，氬氣通入等離子炬作為被電離的離子氣，等離子弧首先出現(xiàn)在鎢極和噴嘴之間，產(chǎn)生非轉(zhuǎn)移弧，俗稱“小弧”。在第二臺(tái)直流弧焊電源的作用下，水冷的噴嘴完成對(duì)“小弧”的壓縮作用，在工件與噴嘴之間形成轉(zhuǎn)移型等離子弧，俗稱“大弧”。與

此同時(shí)，合金粉末隨氬氣進(jìn)入“大弧”內(nèi)形成熔體，同時(shí)氬氣又作為保護(hù)氣體防止熔覆層氧化，保證熔覆層具有良好的宏觀形貌和微觀組織結(jié)構(gòu)。伴隨著熔覆過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，熔池以非均勻形核方式進(jìn)行凝固，進(jìn)而得到組織細(xì)小的熔覆層。

  由上述分析，可以得出以下結(jié)論：等離子束流表面熔覆是動(dòng)態(tài)的非平衡快速凝固過(guò)程，且連續(xù)進(jìn)行，隨著等離子束流的移動(dòng)，基材表層的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生著全新的變化，通過(guò)調(diào)整合金粉末的化學(xué)成分可獲得不同性能要求的熔覆層，因此說(shuō)等離子束流表面熔覆技術(shù)是一種極其優(yōu)異的表面強(qiáng)化技術(shù)。