中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司 河北張家口 075000
隨著我國(guó)煤炭需求的不斷增加,煤礦井下綜采設(shè)備正朝著功率不斷加大、產(chǎn)量不斷提高的方向發(fā)展。礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈?zhǔn)敲旱V井下機(jī)械化采煤的主要設(shè)備——刮板運(yùn)輸機(jī)和刨煤機(jī)上的傳動(dòng)鏈,是設(shè)備的關(guān)鍵件和易損件,其質(zhì)量高低直接影響著煤機(jī)設(shè)備的工作效率及煤炭產(chǎn)量。礦用鏈條在井下惡劣的環(huán)境中工作,除了要保證鏈條的強(qiáng)度和硬度,表面防腐也需提高[1]。由于礦井積水中含有大量的酸根離子,所以會(huì)對(duì)鏈條表面造成電化學(xué)腐蝕;另外,鏈條肩頂部殘余應(yīng)力大,在與腐蝕介質(zhì)相互作用下,容易誘發(fā)應(yīng)力腐蝕斷裂[2]。而熱滲鋅技術(shù)是通過(guò)在Ac1溫度以下,基體金屬?zèng)]有發(fā)生相變的情況下,通過(guò)鋅元素向鋼鐵表面擴(kuò)散,形成鋅鐵合金層,從而改善鋼鐵表面成分、組織和結(jié)構(gòu)的方法[3]。本文主要介紹熱滲鋅技術(shù)在礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈中的應(yīng)用。
選用30mm×108mm-5環(huán)鏈條,材質(zhì)為常用鏈條鋼23MnNiMoCr54,其化學(xué)成分見表1,按照正常熱處理工藝:900℃中頻感應(yīng)淬火+540℃差溫回火+400℃等溫回火。熱滲鋅設(shè)備采用長(zhǎng)4m、直徑1m、裝爐量5t的滲鋅反應(yīng)爐,滲鋅溫度控制在300~400℃之間,滲鋅深度達(dá)到50~100μm。滲鋅工藝流程為:礦用鏈條→除油→除銹→水洗→防銹晾干→滲鋅→水洗、鈍化→成品。
利用Instron 400t臥式拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,使用奧林巴斯BX53光學(xué)顯微鏡和HV1000型顯微硬度計(jì)對(duì)滲鋅鏈環(huán)表面組織、滲鋅層硬度和鋅層深度進(jìn)行分析,最后使用日本JSM-7600F掃描電鏡分析滲鋅表層鋅含量并觀察截面形貌。
表1 23MnNiMoCr54鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)
根據(jù)GB/T 12718—2009《礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈》的規(guī)定[4],鏈條出廠檢測(cè)要符合3項(xiàng)力學(xué)性能要求,熱滲鋅鏈條力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表2。
根據(jù)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果,礦用鏈條滲鋅后抗拉強(qiáng)度仍然滿足國(guó)標(biāo)要求。由于滲鋅反應(yīng)溫度低于正常的鏈條回火溫度,所以對(duì)成品鏈條的機(jī)械強(qiáng)度沒(méi)有造成太大的影響。
表2 礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈力學(xué)性能
使用線切割機(jī)床在滲鋅鏈環(huán)的頂部切取長(zhǎng)為20mm的試塊,進(jìn)行顯微硬度和金相組織檢測(cè),選用設(shè)備為HV1000顯微硬度計(jì)。
顯微硬度選用載荷200g,由試塊表面0.1mm位置逐點(diǎn)向試塊心部檢測(cè)[5],結(jié)果見表3。
表3 顯微硬度檢測(cè)
從檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出,試塊表面硬度(≤0.2mm)有所下降,試塊心部硬度仍符合正常熱處理工藝要求(鏈環(huán)頂部硬度349~388HV)。結(jié)合金相組織進(jìn)一步分析,將試塊拋光腐蝕后,在200倍光學(xué)顯微鏡下觀察滲鋅層及鏈環(huán)心部組織,如圖1所示。
從圖1a、圖1b中可以看出,在試樣表面有鋅鐵合金層存在。由于滲鋅反應(yīng)溫度低,滲層在50μm左右。鏈環(huán)心部組織仍為保持馬氏體位向的回火屈氏體。
圖1 金相組織(200×)
將滲鋅試塊經(jīng)過(guò)丙酮腐蝕和酒精清洗后,在滲鋅層表面譜圖1位置進(jìn)行能譜分析,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示,具體數(shù)據(jù)見表4。
在試樣表面能觀察到明顯的滲鋅層,通過(guò)比例尺可知滲鋅層厚度在50μm左右,結(jié)合能譜分析,試樣表面主要是以Fe、Zn元素為主,在次表面仍有部分Zn擴(kuò)散到基體中。說(shuō)明在熱滲鋅過(guò)程中,Zn粉除涂覆到鏈環(huán)表面形成涂層外,還有少部分?jǐn)U散到鏈環(huán)基體中形成Zn-Fe合金層,增加了與基體的結(jié)合強(qiáng)度。在使用過(guò)程中表面滲鋅層不會(huì)輕易脫落,鋅層氧化后形成鈍化膜起到耐腐蝕作用,而鋅鐵合金層具有一定的耐磨性,可提高井下使用壽命。根據(jù)滲鋅反應(yīng)溫度并結(jié)合Zn-Fe合金相圖[6](見圖3),在300~400℃反應(yīng)產(chǎn)物為δ1(FeZn7)和ξ(FeZn13),這兩種鋅鐵合金產(chǎn)物對(duì)表層硬度起到重要作用。
圖2 滲鋅層能譜檢測(cè)
表4 能譜檢測(cè)結(jié)果 (%)
圖3 Zn-Fe合金相圖
在鏈環(huán)的頂部和直臂處取樣,制取夏比V型缺口試樣,通過(guò)BCJ-1擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)得到以下試驗(yàn)數(shù)據(jù),見表5。
表5 夏比V型缺口試驗(yàn) (J)
鏈環(huán)頂部和直臂沖擊值均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,由于熱處理溫度不同,故直臂沖擊要明顯高于頂部沖擊。
1)礦用鏈條在經(jīng)過(guò)熱滲鋅后,力學(xué)性能、沖擊性能、基體硬度和金相組織等各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)都能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。
2)熱滲鋅后在鏈環(huán)表面形成鋅鐵合金層,不僅起到耐腐蝕作用,而且提高了與基體的結(jié)合強(qiáng)度,合金層硬度比基體硬度略低,仍有一定耐磨性。
3)此種表面處理工藝的鏈條已經(jīng)在澳大利亞MNC煤礦LW604工作面開始使用,并取得了很好的應(yīng)用效果。