矿用链轮合金材料耐磨性能研究

杨海利

宁夏天地奔牛实业集团有限公司，宁夏 石嘴山 753000

近年来，随着国民经济的飞速发展，我们正面临环境污染、资源枯竭等问题。我国虽然是煤炭储量大国，但因地理条件及资源结构限制，在煤炭开采行业，一些矸石含量高（含矸量40%～50%）的煤炭资源也已经逐步成为开采对象。该部分煤炭资源的开采不但增加了开采成本，同时对开采装备的寿命、可靠性、效率提出了更高的要求[1]。目前高含矸量煤矿开采装备依赖进口，不但价格昂贵，维修、更换效率也很难保障。面对这一尴尬局面，开发高性能耐磨材料，提高产品质量及寿命，替代进口产品，具有非常广泛的市场价值。

链轮是煤矿井下的主要运输设备之一，也是刮板输送机的重要驱动部件，其通过与输送刮板链的闭合循环啮合，带动输送机刮板链在整个输送机溜槽内运行，从而带动煤炭沿着溜槽移动，直到机尾部卸载，完成煤炭的输送。在整个设备运行过程中链轮链窝在和圆环链啮合过程中承受巨大的交变载荷和附加的冲击载荷，同时伴随着煤、矸石在运行过程中产生滑动摩擦以及磨料磨损，伴随着水附着在工件表面造成腐蚀[2]。

本文正是针对以上情况以矿用链轮常用材料为基础进行重新配比，并添加了微量的Al、Cu等元素，以提高材料的冲击韧性、强度和抗腐蚀性，采用15%浓度的淬火液进行淬火工艺，得到了较均匀的隐针马氏体组织，使材料具备非常高的强韧性及抗磨性能。通过对比试验，得出两种高合金耐磨钢的耐磨性能。

1 试验部分

1.1 试验材料及方法

试验用材料SY01、SY02，其主要合金元素成分见表1。按照链轮在煤矿井下正常使用的参数将以上两种原始材料调质后，试样根据《GB-T228.1-2010金属材料 拉伸试验》标准制备拉伸试棒，根据《GB-T229-2007金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》标准制备冲击试块，根据《GB-T13298-2015金属显微组织检验方法》标准制备金相试块；淬火后机械加工得到金相试块及摩擦磨损试验用的块形及环形试样，块形试样根据《GB/T 12444.2-1990金属磨损试验方法 环块型磨损试验》标准制备，环形试样根据试验机主轴尺寸配制。

表1 主要合金元素的质量分数

1.2 热处理工艺

SY01、SY02两种原材料用910 ℃淬火温度加热，保温2.5 h，水冷处理后，统一再加热到640 ℃、保温2.5 h，空冷回火处理，制备成拉升、冲击及金相试样；910 ℃淬火温度加热，保温2.5 h，水冷处理后，统一再加热到200 ℃、保温2 h，空冷退火处理，制备成金相及摩擦磨损试样。

1.3 金相组织检查

金相分析试验，将两种材料分别制成尺寸为ф15mm×10mm圆柱形试样，经100号、200号、400号、600号、800号、1000号的砂纸依次进行粗抛，用金丝绒、研磨膏进行细抛，处理成镜面，然后用4%硝酸酒精腐蚀，清洗并烘干后，使用金相显微镜观察。

1.4 摩擦磨损试验

微机控制摩擦磨损试验机MM-2000用于测试材料耐磨性能。滑块的材料分别为SY01、SY02两种，与之相配套使用的环块材料为GCr15[3]。根据设备的工作条件（最大链速1.5 m/s），确定环形试样的转速为400 r/min，试验力200 N，试验时间30 min，设备固有摩擦力矩0.21 N·m。试验过程无润滑，采用干摩擦，在室温下进行，湿度为40%。试验前，试验机预热30分钟。将试样采用工业酒精清洗，共洗2遍，第1遍采用超声波振动法清洗10分钟，清洗温度60 ℃；第2遍用常温酒精清洗。用凉风吹干试样，称重并记录待用。安装试样，使试样转动方向与加工方向一致。启动试验机主轴前，摩擦力矩清零，试验力加载完成。启动试验机，使环形试样逐渐达到规定转速，平稳地将试验力施加到规定值。进行干摩擦试验。试验完成后，数据存盘，卸载。将磨损后的试样按清洗工序再次清洗，称重记录。

1.5 表面分析法

对调质后的SY01、SY02材料加工成标准拉伸试样、标准梅氏冲击试样及标准磨损试块；对淬火后的SY01、SY02材料加工成标准磨损试块；用CMT5305微机控制电子万能试验机进行静拉伸试验测强度和塑性[4]；用JB-36型36公斤力米三用冲击试验机测冲击韧性；硬度测试采用TH301型硬度计；用DM23000M金相显微镜观察显微组织；用MM-2000型摩擦磨损试验机进行磨损检测。

2 结果与讨论

2.1 金相组织观察

对调质后的试块取样进行金相组织分析，图1中a、b分别为SY01经硝酸酒精腐蚀和饱和苦味酸水溶液腐蚀后的显微组织，均为铁素体+点状碳化物的回火索氏体。c、d分别为SY02经硝酸酒精腐蚀和饱和苦味酸水溶液腐蚀后的显微组织，也得到了铁素体+点状碳化物的回火索氏体组织，但相对a、b中金相组织晶粒略显粗大。图2所示为SY01和SY02在同等条件下淬火后的金相组织图，均为隐针马氏体，但a中组织较b更为均匀、致密。

图2 淬火后金相照片

图1 调质处理金相照片

2.2 力学性能检测

从表2中的各项力学性能数据来看，SY01、SY02表面硬度基本一致，屈服强度、抗拉强度、布氏硬度等几项力学性能参数方面基本持平，但SY01的冲击功及冲击值较高，冲击韧性相对更好，与其金相组织相对致密有关。矿用刮板输送机链轮在与刮板链的啮合工作中会承受频繁的冲击载荷，设计要求零件的基体韧性高，表层硬度高，既具备一定的抗冲击性又具备高耐磨性能。因此从调质后的力学性能判定SY01更适合用于链轮钢。

表2 调质后的力学性能数据

2.3 摩擦磨损测试机理分析

每种材料做三次试验，SY01材料的三个试样编号分别是1-1、1-2、1-3，SY02材料的试样编号分别是2-1、2-2、2-3。称重时，每个试样称5-6次，去除无效数据后，取平均值，称重结果见表3。

表3 试样磨损前后称重结果对比 单位：g

从表3中可以得出，SY01合金钢的平均磨损量小于SY02合金钢的平均磨损量，即SY01合金钢的抗磨性能要优于SY02合金钢，其更适合煤矿井下工况的使用。

3 结 论

①金相方面，在同等的调质和淬火条件下，两种合金钢的金相组织相同，但SY01合金钢中组织较SY02合金钢更为均匀、致密；

②力学性能方面，SY01合金钢的冲击韧性优于SY02合金钢；

③在磨损性能方面，SY01合金钢在腐蚀介质中的磨损性能要优于SY02合金钢；

④综合力学性能及磨损性能，SY01合金钢适合用于链轮钢，符合高耐磨、抗腐蚀性能的要求。