刮板输送机中板用新型耐磨钢的磨料磨损性能

朱 瑾,陈华辉,滕 子,马 峰

(中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院，北京 100083)

煤炭作为世界上最重要的基础能源之一，在大力倡导绿色发展的今天，仍有着任何其他能源都不可取代的地位[1]。随着煤炭工业的发展，煤炭综采设备已经在煤炭开采中占据主导地位。刮板输送机，作为现代煤矿综采的核心设备，其失效将直接影响煤矿的生产效率。刮板输送机主要由电机、减速器、液力耦合器、中部槽等组成[2]。其中，中部槽作为整个刮板输送机的核心部分，承担了刮板输送机大部分的载荷，因此，中部槽的失效将直接决定刮板输送机的寿命[1]。

中部槽主要由中板、槽帮、底板、行走机构等组成[2]。在井下复杂多变的工作环境下，中板承担着煤及煤中硬质矿物、刮板和刮板链的磨损，其磨损类型一般包括磨料磨损、黏着磨损、疲劳磨损及腐蚀磨损的综合效应，根据井下条件的不同，磨损类型也不完全相同[3]。在实际工况中，中板上刮板链的链道处是中板磨损最为严重的区域，链道处的磨损将直接影响刮板输送机的寿命[4]，刮板链和中板以及进入它们之间的硬质矿物，形成三体磨损，是典型的磨料磨损。因此，对刮板输送机中板用耐磨钢板进行磨粒磨损性能的评价，对安全生产和节约资源均有着极为重要的意义。

笔者采用的刮板输送机运用新型耐磨钢材料，是钢铁研究总院研发的一系列含Ti的低合金耐磨钢种。冶炼时添加一定量的Ti，原位析出的TiC经由热轧过程，形成不同尺寸、不同形状的TiC颗粒，达到了细化晶粒，增强钢板耐磨性的目的。笔者着重探索了该耐磨钢的组织、相结构和硬度，研究了在不同磨料作用下耐磨钢的磨料磨损机理，分析了Ti在新型耐磨钢抗磨料磨损行为中的作用。

1 研究方法

1.1 试验材料

根据前期的实验研究，发现含Ti量不超过0.60%时研制钢具有较佳的综合加工性能，若Ti含量过高，易引起焊接开裂。所以试验材料选用新型耐磨钢板Ti20与Ti60，以比较含Ti量的影响以及原位形成的TiC对钢耐磨性的影响及作用机理，其化学成分见表1。耐磨钢板的生产工艺过程如下:炼钢—精炼—VD/RH真空处理—连铸坯—钢坯加热—轧制—淬火(900 ℃水淬)—回火(200 ℃空冷)—成品板。

表1 耐磨钢的化学成分Table 1 Chemical compositions of wear resistant steels %

对比钢为马氏体耐磨钢Hardox450。Hardox450是常用于矿业和建筑机械的低合金耐磨钢，具有高的强韧性，良好的成形性和可焊性。

1.2 磨料磨损试验

根据对失效中板的磨损形貌分析，认为中板的严重磨损区域在链道处，主要是煤中的硬质矿物造成中板的磨料磨损。因此，本磨损实验中，选用石英砂和煤与石英砂混合磨料两种磨料进行磨损试验。磨料磨损试验在MLG-130干式橡胶轮磨粒磨损试验机上进行，试验机示意如图1所示。磨损试样尺寸为75.0 mm×25.5 mm×6.0 mm。橡胶轮直径为178 mm。根据ASTM-G65 干砂橡胶轮磨料磨损实验标准[9]，选择130 N载荷，橡胶轮转速为200 r/min，磨损时间为10 min(转数为2 000 r)。磨料为40～70目的石英砂，砂流速约为340 g/min。

图1 磨损试验机示意Fig 1 Schematic diagram of test apparatus

为模拟中板的服役工况，选用60目无烟煤+5%石英砂作为混合磨料，所用磨粒形貌如图2所示。混合磨料中煤粉粒度比纯石英砂小，颗粒尺寸不均匀，石英砂是棱角尖锐的颗粒，而煤粉颗粒较为圆钝。由于煤与石英砂密度相差较大，煤粉质量较轻，因此在阀门均完全开启时，所测得的砂流速约为110 g/min。在电子天平上测量样品的质量损失，天平测试精度为0.000 1 g。

图2 磨损试验所用磨料Fig.2 Abrasives used in abrasion testing

1.3 分析方法

利用扫描电镜LEO-1450观察新型耐磨钢的显微组织和磨损形貌。X射线衍射仪PANalytical AERIS分析新型耐磨钢板的相结构，采用Cu靶Kα辐射，管电压 40 kV，电流为15 mA，测量范围为10°～90°。采用HBRVU-187.5型布洛维光学硬度计对试样进行洛氏硬度HRC测试，测量载荷为1 471 N，加载时间15 s;为了保证数据的准确性，每个试样至少测量5个点，然后取其平均值作为最终硬度数据。

2 实验结果与分析

2.1 新型耐磨钢板的显微组织

如图3所示，Hardox450及含Ti的Ti20，Ti60的显微组织由不同方向的板条组成，是板条马氏体。原奥氏体晶粒被许多取向不同的马氏体束分割。随着Ti含量增加，原奥氏体晶粒度减小，马氏体束的长度减小，说明Ti的存在，起到了细化晶粒的作用。

图3 试验钢的显微组织Fig.3 Microstructure of tested steels

XRD分析结果如图4所示，红线所示为α-Fe的标准X射线衍射峰，蓝线所示为TiC的标准衍射峰。Ti20和Ti60与 Hardox450的相结构一样均为α-Fe。马氏体为α-Fe的过饱和固溶体，可知Ti20和Ti60为板条马氏体组织。

图4 试验钢的XRD衍射图谱及α-Fe与TiC的标准衍射峰Fig.4 XRD patterns of tested steels and standard X-ray diffraction peak

在图3(b)，(c)中，可以观察到在Ti20和Ti60原奥氏体晶界处有不规则的黑色多边形颗粒生成，颗粒尺寸为1～5 μm，其中Ti20所生成颗粒尺寸和数量明显小于Ti60。对黑色区域用EDS进行元素面分布检测，发现Ti元素集中分布在多边形颗粒区域(图5)。由于Ti为强碳化物形成元素，只要有足够的C，在适当的条件下会形成TiC颗粒[10]，因此，Ti20和Ti60组织中的多边形颗粒为TiC颗粒。TiC颗粒的存在，一方面对奥氏体晶界起钉扎作用，阻止其长大;另一方面，Ti与C生成TiC，使碳在固溶体中的固溶度降低，从而减小了碳对γ-Fe点阵结合力的影响，阻止奥氏体晶粒长大[10]。因此，Ti20和Ti60的晶粒度明显低于Hardox450，随着含Ti量的升高，晶粒度减小。由于TiC含量太少，所以XRD难以检测出来。但Ti60可在20°～30°及60°～70°附近看到微弱的TiC峰。

图5 试验钢的Ti元素面分布Fig.5 Distribution of Ti element in tested steels

2.2 新型耐磨钢板的硬度

表2为试验钢的HRC硬度。与Hardox450比，Ti20和Ti60的硬度相差不大，甚至稍低于Hardox450。由图3可知，原位生成的TiC颗粒尺寸仅为1～5 μm，含量也较少，没有对钢板基体硬度产生较为明显的影响。

表2 试验钢的硬度Table 2 Hardness of tested steels

2.3 新型耐磨钢板的磨料磨损性能

2.3.1石英砂磨料

在石英砂磨料作用下，试验钢的磨损失重和相对耐磨性如图6所示。与Hardox450相比，Ti的加入降低了磨损时的质量损失，即随着Ti含量的增加，磨损失重减少。

三体磨料磨损试验的磨损率用相对耐磨性β[11]表示

其中，ΔX1和ΔX2分别为对比钢Hardox450和新型耐磨钢Ti20与Ti60的磨损质量损失(3个平行试样的平均值);ρ1和ρ2分别为两种钢的密度。β增加表示钢的耐磨性增加。

根据磨损失重计算相对耐磨性系数β，Ti20和Ti60的相对耐磨性系数分别为1.07和1.293。这表明:在石英砂磨粒的作用下，加入Ti的钢的耐磨性最高可为Hardox450的耐磨性的1.3倍。

图7为3种试验钢的磨损形貌，其中，图7分别为不含Ti的Hardox450、Ti含量约为0.2%的Ti20和Ti含量约为0.6%的Ti60。在石英砂磨料作用下，3种耐磨钢的磨损形貌以微犁削为主，是典型的磨料磨损形貌。如图7(a)所示，Hardox450磨损表面的犁沟方向比较规则，犁沟较长和较深，红框1区域即为磨损表面较长的犁沟。Ti20和Ti60的犁沟长度和深度随着Ti含量的增加而减小。如图7(b)红框3和4区域所示，Ti20表面深度变浅，3区域还存在犁沟受到阻碍，方向偏转的现象。当Ti含量为0.6%时，如图7(c)所示，磨损表面已经不存在长犁沟。因此，Ti的加入能够改善试验钢的耐磨性，当Ti含量为0.6%时，耐磨性最好。

图7 石英砂磨料作用下试验钢的磨损形貌Fig.7 SEM images of worn appearance of tested steels worn by quartz sand

2.3.2煤粉与石英砂混合磨料

为模拟刮板输送机在井下工作时的工况，选用60目无烟煤+5%石英砂作为磨料。由图1可知，石英砂颗粒较为尖锐，而混合磨料颗粒比较圆钝。

在煤粉与石英砂混合磨料作用下，3种钢的磨损试验结果如图8所示。与石英砂磨料相比，煤粉与石英砂混合磨料作用时，磨损失重大幅降低，仅为石英砂磨料的4%左右。这是因为石英砂流量比煤粉大，而且石英砂的硬度远远高于煤，且较为尖锐，尖锐的石英砂棱角在法向力的作用下压入材料表面，形成图6所示的犁沟。在表面反复受到犁削和塑性变形的情况下，材料发生剥落，磨损较严重。而混合磨料中石英砂仅占5%，主要成分煤粉的硬度远低于石英砂，是软磨料磨损，此时，犁削效率非常低，磨损量很小。

图8 煤粉与石英砂混合磨料作用下试验钢的磨损失重及相对耐磨性Fig.8 Wear weight loss and relative wear resistance of tested steels worn by mixed abrasive of quartz sand and coal powder

在磨料为混合磨料的条件下，与Hardox450相比，Ti的加入仍降低了钢的磨损，并且随着Ti含量的增加，磨损失重减少，耐磨性增加。根据磨损失重获得的相对耐磨性系数β直观地反映了加入Ti后耐磨性的变化，在煤粉和石英砂混合磨料作用下，Ti60的耐磨性约为Hardox450的1.28倍。

图9为煤粉磨料作用下，载荷130 N时试验钢随着Ti含量增加，似乎更易发生塑性变形。如图9(a)所示，Hardox450在切削槽处有较多的材料脱落，形成如区域1，2所示的较深的切削槽。此外，在法向力的作用下，磨粒被压入试样表面，在表面形成如区域3所示的压坑或断裂。随着Ti的加入，磨损表面上的这种损伤逐渐减少，可能是由于Ti的加入细化了晶粒，增加了韧性，在磨损时塑性变形分量增加。

图9 煤粉与石英砂混合磨料作用下试验钢的磨损形貌Fig.9 SEM images of worn appearance of tested steels worn by mixed abrasive of quartz sand and coal powder

2.4 新型耐磨钢的磨损机理

如上所述，Ti的加入细化了晶粒，在硬质的石英砂和软质的煤粉磨料作用下，新型耐磨钢的抗磨料磨损性能都得到了提高，且Ti含量越高，耐磨性越好，当Ti含量为0.6%时，耐磨性约为Hardox450的1.3倍。

图10(a)为在石英砂作用下Ti60的局部磨损形貌，图10(b)为Ti元素在图10(a)所示局部的面分布图，图10(c)为Ti元素在图10(a)所示磨损形貌的面分布示意。在三体磨料磨损条件下，石英砂颗粒以滚动和滑动的混合形式通过试样表面。由于Ti60具有一定的韧性，因此磨损机制主要为微犁削，如图10(a)所示。在磨粒作用于材料表面时，材料更容易被推向两旁和边缘而不发生断裂，形成如图所示的犁沟。当受到随后的磨料作用时，犁沟两侧堆积的材料可能被重新压平，也可能使已变形的材料受到再一次的犁沟变形[12]。如此反复塑变，材料不足以承受外力而发生剥落，也可能由于加工硬化而变脆，最终发生剥落产生磨屑。

Ti集中区域没有明显的犁沟，表面为塑性变形挤压坑，犁沟则从2区域的两侧划过，这表明:在TiC析出的局部区域，硬度比马氏体基体高，对磨料起到阻碍作用，因此更加耐磨。

同样的情况也发生在煤粉与石英砂混合磨料情况，如图11所示。图11(a)中红色框区域对应的为图11(b)中Ti元素集中区。犁沟在经过区域1时，被TiC阻止，使沟槽形状发生改变。而犁沟在经过2区域后，深度明显减小。3，4区域虽然没有明显的阻止犁削行为，但在3区域，一条较深的犁削窄槽在经过3后，深度变浅，而在4区域，只有较浅的犁削划痕。

如2.1节所述，Ti为强碳化物形成元素，在新型耐磨钢中主要存在形式为TiC颗粒。由于TiC颗粒是Ti元素与C元素原位生成，粒度为1～5 μm，且与基体结合紧密，因此，在磨损表面上很难从形貌上分辨出TiC颗粒与基体。用EDS面扫描的方法对磨损形貌进行Ti元素的检测，Ti元素集中区应为TiC颗粒存在的区域。虽然难以像外加颗粒一样直观地看到TiC颗粒对于犁沟的阻止作用，但根据以上分析，TiC存在的区域附近出现了犁沟分叉和变浅以及Ti集中区域形貌较为光滑等特征，可以判定，TiC的存在，起到了局部强化作用。尽管析出的少量微米TiC颗粒没有提高钢的整体硬度，但TiC弥散分布在马氏体基体中，对其周围的区域产生了局部强化，提高了局部硬度和对磨料的阻碍作用，使得新型耐磨钢Ti20与Ti60的耐磨料磨性能都得到了提高。

3 结 论

(1)新型耐磨钢Ti20与Ti60的显微组织与马氏体耐磨钢Hardox450类似，为板条马氏体。Ti为强碳化物形成元素，与C在奥氏体晶界处原位生成形状不规则的TiC颗粒，尺寸为1～5 μm。TiC颗粒钉扎奥氏体晶界，阻止了晶粒长大，因此Ti20与Ti60的晶粒度均小于Hardox450，且随着Ti含量的增加，钢的晶粒度减小。

(2)钢在石英砂磨料的微犁削沟槽深度和宽度远大于煤的磨损。无论在石英砂还是煤的磨损条件下，钢的磨损失重都随着Ti的增加而降低，Ti含量越高，磨损失重越小。Ti60的耐磨性最高可达Hardox450的1.3倍。

(3)尽管新型耐磨钢的整体硬度没有提高，但Ti与C原位生成的TiC颗粒弥散分布在基体中，起到了局部强化作用，提高了周围区域的硬度和对磨料的阻碍作用，提高了新型耐磨钢Ti20与Ti60的耐磨性。