文 宏

（甘肅機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741001）

長期以來，礦山機械產(chǎn)品一直給人們粗大笨重的感覺。隨著工程技術(shù)和材料科學(xué)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)單一的金屬材料已經(jīng)不能滿足許多大型機械產(chǎn)品，尤其是礦山機械產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計需要。復(fù)合材料，因為其固有的高比強度、高比剛度、高耐腐蝕耐磨性、高破損安全性、高設(shè)計性等諸多優(yōu)勢，越來越受到人們的關(guān)注。復(fù)合材料的應(yīng)用可以減少大型機械的零件數(shù)量和裝配工作量，從而降低機械生產(chǎn)成本，自問世之初便被廣泛應(yīng)用于航空航天、機械制造、國防軍工等等。在礦山機械產(chǎn)品設(shè)計中大量使用復(fù)合材料，不僅能滿足對腐蝕性和耐磨性的要求，并且能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品輕量化和美觀的設(shè)計需求。其中鎢銅基耐磨材料一直是礦山機械設(shè)計中常用的復(fù)合材料。

1 金屬鎢銅基復(fù)合材料的性能研究

1.1 鎢材料發(fā)展研究

近幾年來，我國金屬基復(fù)合材料的研究一直在不斷發(fā)展革新，早期的研究領(lǐng)域一直偏重于纖維強化鋁基和鎂基的研究，但是因為其制備工藝復(fù)雜，加工困難所以一直難以大面積應(yīng)用于大型機械，所以國內(nèi)外學(xué)者開始找尋替代材料，鎢因為其獨有性能開始被發(fā)掘出來。

根據(jù)銅基耐磨材料的增強機體要求原則，基體必須和增強材料有較強浸潤融合性，因為在加工過程中，基體很有可能處于高溫熔斷狀態(tài)，所以要求增強材料必須有耐高溫性[1]。金屬鎢就是一種耐高溫、高熔點固體自潤滑有較強融合性的材料，所以金屬鎢的挖掘?qū)︺~基耐磨復(fù)合材料的制備具有重要意義，對礦山機械產(chǎn)品易磨件的設(shè)計同樣具有現(xiàn)實價值。

1.2 金屬鎢材料性能研究

金屬鎢具有良好的穩(wěn)定性、潤滑性、耐磨耐腐蝕性。在常溫下可以不受強酸、強堿或其他有機溶液的侵蝕。因此金屬鎢不僅可以作為金屬基硬化的輔助材料，也能作為礦山機械軸承的潤滑材料。

金屬鎢在空氣濕潤的條件下更易發(fā)揮良好潤滑性，水和空氣的分子結(jié)構(gòu)可以牢牢吸附在金屬鎢表面的氣孔上，在機械部件滑動時，減弱了截面間的結(jié)合力。另一方面，礦山機械的附著力也是靠金屬鎢基面邊緣的附著力提供的，由于水分子和空氣分子牢牢占據(jù)氣孔，導(dǎo)致附著力降低，這也是金屬鎢潤滑性原理的主要成因。所以在礦山機械應(yīng)用中，對金屬鎢潤滑部件必須保持周圍空氣濕潤，充分發(fā)揮其潤滑作用，否則其磨損率將會增大。在摩擦過程中，金屬鎢顆粒會剝離出極小的金屬鎢粒子，材料制備中所含的外部不純物、空氣中的浮動塵埃，這些都可以在反復(fù)摩擦中填充氣孔，從而降低金屬鎢機體在礦山機械加工時的磨損量[2]。摩擦?xí)r產(chǎn)生的金屬鎢晶體，對金屬同樣具有吸附作用。礦山機械部件發(fā)生對磨時，表面金屬由于發(fā)生黏著，使金屬鎢微粒緊緊吸附于氧化金屬中，形成金屬氧化膜，保護金屬，降低磨損效應(yīng)。

1.3 金屬鎢銅基復(fù)合材料性能研究

為了系統(tǒng)測試金屬鎢銅基復(fù)合材料物理性能，特對其進行實驗測試。原料采用鑄銅銅屑和純凈200克金屬鎢粉為原材料，以金屬鎢鑄銅，質(zhì)量比例分別為1%、1.5%、2%、2.5%。充分混合后經(jīng)100t壓力擠壓成型，經(jīng)過真空燒節(jié)裝置進行燒制成型，取出后經(jīng)過自然冷卻。對試樣進行退火，低于300℃重新裝爐，以每小時80℃的速度持續(xù)升溫到850℃保溫2小時后爐冷到250℃空冷。隨后對金屬鎢銅基復(fù)合材料進行硬度、摩擦力、耐磨性做橫向?qū)Ρ冉Y(jié)果如表1所示。

表1 金屬鎢銅基材料性能數(shù)據(jù)表

通過分析金屬鎢添加量對金屬基材料硬度影響對比可知，隨著金屬鎢添加質(zhì)量比例逐漸增大，金屬銅基硬度也隨之增大，復(fù)合材料硬度提高。通過對金屬鎢顆粒和金屬基摩擦力性質(zhì)影響研究可知，金屬鎢添加質(zhì)量越高，摩擦力越小，潤滑效果也越明顯。另外在此次試驗中，較大形態(tài)金屬鎢通常具有良好潤滑性，當(dāng)金屬鎢顆粒較小時，受空氣質(zhì)量因素影響，潤滑性會偏差，摩擦系數(shù)提高，耐磨性也會呈下降趨勢[3]。

2 金屬鎢銅基復(fù)合材料在礦山機械中的實際應(yīng)用

金屬鎢銅基復(fù)合材料因為其高耐熱、高潤滑、高強度適應(yīng)性被廣泛應(yīng)用于礦山機械設(shè)備中，特別適合在較為嚴苛工作環(huán)境下的礦山機械設(shè)備易損件的應(yīng)用如礦山豎井罐、爬坡推車滾輪等。

2.1 礦山豎井罐籠應(yīng)用研究

在金屬礦山開采中，礦山豎井罐籠一直是礦井豎直方向主要驅(qū)動力設(shè)備之一。工作時，最快運行速度可以達到10m/s，所以在高速運行狀態(tài)下，勢必會產(chǎn)生大量的熱，這就要求相關(guān)設(shè)備材料具有高耐熱性。導(dǎo)向索固定在罐籠上，工作時會與導(dǎo)向鋼絲做劇烈摩擦運動，所以為了保證工人施工安全必須嚴格要求鋼絲強度，并需要盡可能減弱摩擦力。根據(jù)摩擦力硬度原理，鐵索質(zhì)地需要提高硬度，耐磨性，最好具有一定自潤滑性能。選擇金屬鎢銅基材料制作后，鋼絲繩與罐籠具有合適的硬度配比，鎢銅絲不易被扯斷，并且因為材料當(dāng)中具有大量金屬鎢，在水汽充足的條件下具有自潤滑效果，從而可以有效保護機體和鎢銅絲繩。不僅如此，采用金屬鎢銅基復(fù)合材料制備導(dǎo)索和相關(guān)設(shè)備可以保證罐籠襯套具有足夠的穩(wěn)定性和耐腐蝕性，既可以滿足正常施工要求，還能大大降低運營成本，不需要設(shè)備頻繁更換[4]。

2.2 礦山機械爬坡推車機滾輪中的應(yīng)用

之前礦山大型機械滾輪采用不銹鋼制軸承，雖然可以保證硬度但是造價高昂維修困難，而且耐磨性并不盡如人意。采用金屬鎢銅基復(fù)合材料制成的滾輪軸承后，輪軸運轉(zhuǎn)并不會出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，機械設(shè)備運行良好，通過對不數(shù)據(jù)可以確定，潤滑周期可以上升到3天1次，維修時在裝備槽加入潤滑油即可，更換周期可以由原來的30天上升為115天左右，成本降低75%以上。

3 結(jié)語

除了上述應(yīng)用外，金屬鎢銅基材料因為其獨有性能在礦山機械產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域還具有廣泛用途。通過不斷加工和金屬鎢質(zhì)量配比實驗，金屬鎢銅基材料已經(jīng)可以適用于更多機械易磨件，如軸承、套筒、活塞等，可以肯定的是金屬鎢銅基在礦山機械設(shè)計應(yīng)用中會有更廣闊的前景。