馬 青

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四老溝礦， 山西 大同 037003）

1 液壓支架的腐蝕機理

液壓支架的構(gòu)成主要包含了以下四個單元：執(zhí)行機構(gòu)、承載構(gòu)架、輔助配置、控制機構(gòu)。導(dǎo)致液壓支架發(fā)生失效的原因主要是一些部件長時間運行在惡劣的礦井環(huán)境中受到了磨損與腐蝕，其中部件的腐蝕類型如下：

1.1 點蝕

某液壓支架在礦井下持續(xù)運行了540 d，30CrMnSi 油缸在經(jīng)過了調(diào)質(zhì)處理之后，其表面發(fā)生了點蝕問題，詳見圖1。其發(fā)生腐蝕之后主要含有FeOOH、Fe3O4、FeSO4等物質(zhì)，由于油缸缸體與支架運行所需液體之中的SO2-4等離子發(fā)生了腐蝕反應(yīng)。分析主要原因為：包含了氯離子和硫酸根離子的高含水液壓溶液中30CrMnSi 合金發(fā)生了腐蝕，隨著兩種離子濃度的不斷增加，合金具有的點蝕電位持續(xù)降低，這是因為陰離子發(fā)生競相吸附，因此，如果高含水液壓液無法合理使用，將會導(dǎo)致支架立柱缸內(nèi)壁出現(xiàn)點蝕。另外，一些礦井中的氯離子濃度可以達(dá)到2 000 mg/L，硫酸根離子的濃度可達(dá)到3 000 mg/L，如果支架表面鍍鉻極易形成點蝕孔，并且會逐漸延伸到內(nèi)部[1]。

圖1 油缸表面的宏觀腐蝕形貌

1.2 磨損腐蝕

液壓支架體系之中的安全閥在純水介質(zhì)運行之時，由于該介質(zhì)有著極薄的潤滑油膜厚度，僅僅為礦物油的1/20～1/3，因此在摩擦表面之間難以形成發(fā)揮潤滑作用的油膜，從而只出現(xiàn)了干摩擦，磨損持續(xù)加劇，極易出現(xiàn)磨屑。而且純水介質(zhì)作為一種電解質(zhì)溶液有著較好的性能，閥桿與閥體之間十分容易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，促使表面存在的腐蝕物質(zhì)在脫落之后轉(zhuǎn)化成為顆粒，加快了磨損速度。

另外，純水介質(zhì)形成的氣化壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了液壓油，且該壓力會隨著溫度的增加而增加，水中含有的雜質(zhì)將會與閥體表面發(fā)生反應(yīng)，形成氣蝕問題，對固體的表面產(chǎn)生了破壞。綜上所述，在純水介質(zhì)中，液壓支架中配置的閥體極易出現(xiàn)磨損和腐蝕，這兩種問題相互影響，對安全閥的性能產(chǎn)生了極大的危害，最終導(dǎo)致液壓支架失去了較強的支護(hù)性能，極易導(dǎo)致事故的發(fā)生。

1.3 鼓泡

目前，液壓支架的立柱和液壓缸的內(nèi)壁大多都是以陰極鍍層來保護(hù)，一旦局部鍍層受到了腐蝕，其必定會隨著腐蝕點逐漸擴散到周圍和內(nèi)部，產(chǎn)生鼓泡，導(dǎo)致鍍層出現(xiàn)脫落問題，而鍍層下段的基體也會發(fā)生腐蝕，形成較多的黑色腐蝕產(chǎn)物。導(dǎo)致鼓泡發(fā)生的因素較多，例如礦井內(nèi)生成的腐蝕介質(zhì)逐漸滲透到原有的裂紋及針孔部位，出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕，形成產(chǎn)物堆積，出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕，形成較多的產(chǎn)物，導(dǎo)致鍍層與基體相互分離，形成鼓泡；此外，在電鍍過程形成的H 原子也極易被吸收，并逐漸擴散到基體之內(nèi)，然后再聚集成為氫氣，最終成為氫鼓泡。

1.4 電偶腐蝕

我國西部地區(qū)大多數(shù)礦井水都存有較高的礦化度，含鹽量達(dá)到了1 000～3 000 mg/L，其中含有的離子主要有鈉離子、鉀離子等，這些離子將會吸附在液壓支架的表面，最終成為硬度極高的水垢。在堿性或者中性的環(huán)境下，水垢下方的基體與液壓支架其他位置有著不同的氧含量，形成了一種傳統(tǒng)的氧濃度差電池，使得水垢下方基體的腐蝕越來越嚴(yán)重，進(jìn)而產(chǎn)生一種不完善的銹蝕層，該層與低電位的基體形成了一種電偶腐蝕，從而加快了支架的腐蝕。

1.5 細(xì)菌腐蝕

液壓支架在礦井下運用的傳動介質(zhì)主要是一些水基液，如乳化油、微乳液等。這些液壓傳動介質(zhì)具有較好的性能，如導(dǎo)熱、阻燃、冷卻等，但是在礦井中有著較高的細(xì)菌含量，支架十分容易受到細(xì)菌的腐蝕。液壓支架在礦井中發(fā)生細(xì)菌腐蝕的原因主要為硫酸鹽還原菌在發(fā)生新陳代謝的過程中對金屬材料所處的環(huán)境產(chǎn)生了影響，進(jìn)而造成了金屬材料的腐蝕，形成一種腐蝕微電池，尤其是處于弱堿或者中性的環(huán)境。

2 液壓支架的表面防護(hù)方法

2.1 電鍍

電鍍是在外加電流的影響之下，在部件的表面進(jìn)行鍍層的一種技術(shù)。

1）電鍍鉻。目前，液壓支架的各個零部件大多使用雙鉻，或者先使用錫青銅進(jìn)行打底、再以硬鉻來制備復(fù)合鍍層。這種電鍍鉻的鍍層盡管具有較多的優(yōu)勢，如硬度、耐磨性較高等，但是對微裂紋、空隙等較為敏感，在使用環(huán)節(jié)極易出現(xiàn)點制，而且沉積的速度較低、成本較高。利用同槽進(jìn)行過渡，可以取得同質(zhì)異構(gòu)的三層鉻電鍍鍍層，該鍍層的內(nèi)外都有著較好的性能，具有較好的耐磨性、潤滑性，與青銅或者雙鉻類的鍍層相對比，其沉積的速度得到顯著提升，且在濃度為3%～5%的鹽溶液中可以進(jìn)行較長時間的浸泡[2]。

2）電鍍銅合金。近年來，液壓支架立柱油缸的內(nèi)壁材料為電鍍銅和銅合金，可有效增強內(nèi)壁的抗腐蝕性。內(nèi)壁電鍍層或銅合金基本都是使用到氰化鍍銅技術(shù)，并且鍍層的厚度在超出了10μm 時，鍍層才會具備較低的孔隙度。為了更好地推廣這一技術(shù)，在鍍液之中添加檸檬酸鹽、焦磷酸鹽等，但是鍍層厚度必須要大于15μm，孔隙率才可以達(dá)到最佳。否則，空隙之內(nèi)將會優(yōu)先發(fā)生腐蝕，進(jìn)而逐漸衍生到內(nèi)部，導(dǎo)致鍍層出現(xiàn)脫落等問題。

2.2 化學(xué)鍍

通過運用該技術(shù)可以在液壓支架立柱的表面獲得Ni-P 鍍層，其硬度（HV）處于500～550 之間，經(jīng)過一系列的處理之后，鍍層硬度（HV）可以達(dá)到800 以上，而且孔隙率較低、耐腐性較高。在經(jīng)過了該技術(shù)制備了Ni-P-B 鍍層之后，經(jīng)過熱處理之后其硬度（HV）可以達(dá)到1 000 之上，在礦井環(huán)境為堿性的時候，其腐蝕速度要比酸性環(huán)境更低。在27SiMn 鋼的表面制備以下兩種鍍層，分別為Ni-Ce-P 和Ni-Cu-Ce-P，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩個鍍層均是非晶構(gòu)造，在濃度為3.5%的氯化鈉溶液之中會出現(xiàn)鈍化。另外，Ni-Cu-Ce-P 鍍層要比Ni-Ce-P 鍍層有著更強的耐蝕性。如果鍍層為化學(xué)鍍Ni-B-P 鍍層，在經(jīng)過熱處理之后，與其在基體之中的耐蝕性相比，鹽溶液之中為其5.40 倍，酸性溶液之中為其538.14 倍，堿性溶液之中為其7.91 倍，在模擬的環(huán)境中為其1.12～1.33 倍。

2.3 激光熔覆

這種技術(shù)指的是運用高能激光束來促使原料及基體可以同時熔化，經(jīng)過迅速凝固之后可以形成一種熔覆層。采用X431-M2 鐵基合金霧化粉末來進(jìn)行涂層，可以在27SiMn 鋼的表面形成一種熔覆層，這一涂層可以有效結(jié)合基體，也不會產(chǎn)生氣孔等缺點，而且在5%的氯化鈉溶液之中將會發(fā)生鈍化，耐腐性較好。為了保證熔覆層的Ni 含量可以得到提升和C 含量得到控制，可以利用JG-3Y 合金粉末來制備熔覆層，以獲得韌性較高、裂紋敏感性較低的熔覆層，從而有助于改善液壓支架的耐腐蝕性，延長支架的使用時間。但是在利用該技術(shù)來提升液壓支架使用性能的時候，基體表面十分容易發(fā)生氣孔，極大降低了支架的使用時間和耐腐性。

因此，通過對氣孔形成的原因進(jìn)行分析，可以從以下幾點來降低涂層表面的氣孔數(shù)量，提升涂層的質(zhì)量，擴大該技術(shù)的應(yīng)用范圍。具體措施為：改善熔覆原料中的成分，其主要為提高脫氧元素的含量，對C 進(jìn)行控制，還可以提升原料之中的預(yù)熱溫度及溫度維持時間，以降低原料之中的水分；對熔覆環(huán)節(jié)所需的保護(hù)氣體進(jìn)行科學(xué)選擇，對其流量、純度等進(jìn)行綜合考慮；完善相關(guān)的工藝參數(shù)，依據(jù)液壓支架的類型、大小、材料等來選擇激光熔覆的功率、激光掃描的速度等，以優(yōu)化熔池的性能。

2.4 超音速火焰噴涂

這種方法大多用于碳化鎢合金涂層，通過運用該技術(shù)在27SiMn 鋼表面制備WC-Cr3C2-M 涂層，結(jié)果顯示涂層具有極高的抗磨性和硬度，且具有極低的孔隙率。同時，對比電鍍硬鉻涂層，這種涂層有著極高的致密性，不存在龜裂紋，這就使得一些具有腐蝕性的介質(zhì)很難透過涂層進(jìn)入基體之內(nèi)，因此，較好地保護(hù)了基體。液壓支架運用涂層，并投入到礦井下工作之后的1 年，表面并沒有出現(xiàn)腐蝕問題。

2.5 冷噴涂

該方法指的是處于正常或較低的溫度之下，涂層所使用的材料粉末并沒有受到超音速氣、固兩相氣流的影響，由此沒有形成致密涂層，不存在高溫氧化等問題。采取低壓冷噴涂技術(shù)在受到損傷的鍍鉻桿表面層涂刷Cu-Zn，當(dāng)兩者的比例為6∶4 時，運用該技術(shù)得到的涂層可以達(dá)到6 級以上的抗腐性能，主要是因為鋅可有效緩解鍍鉻層的腐蝕狀況。

通過有限元的方法來模擬激光，以此來起到輔助涂層的作用，針對Ni60 顆粒在27SiMn 鋼表層發(fā)生碰撞的速度、沉積的溫度等來影響噴涂的過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)顆粒在常溫之下的沉積速度保持800 m/s 時有著最佳的沉積效果。

3 結(jié)語

由于礦井下的環(huán)境質(zhì)量較差，尤其是水體不具有均勻的酸堿度，而且環(huán)境中的溫濕度、粉塵等各不相同，液壓支架在礦井中發(fā)生腐蝕的形態(tài)及機理也各不相同。因此，對于礦井下具有的特殊環(huán)境，對液壓支架發(fā)生腐蝕的類型及機理進(jìn)行詳細(xì)分析，并基于此來采取有效的措施進(jìn)行防護(hù)，以提升液壓支架的抗腐蝕性和使用壽命，保證礦井生產(chǎn)的安全性。