礦山機械產(chǎn)品設計中復合材料的選擇與應用

文 宏

（甘肅機電職業(yè)技術學院，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。隨著工程技術和材料科學的不斷發(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)設計需要。復合材料，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、高設計性等諸多優(yōu)勢，越來越受到人們的關注。復合材料的應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)品設計中大量使用復合材料，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計需求。其中鎢銅基耐磨材料一直是礦山機械設計中常用的復合材料。

1 金屬鎢銅基復合材料的性能研究

1.1 鎢材料發(fā)展研究

近幾年來，我國金屬基復合材料的研究一直在不斷發(fā)展革新，早期的研究領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雜，加工困難所以一直難以大面積應用于大型機械，所以國內(nèi)外學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，水和空氣的分子結構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]。摩擦時產(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。

1.3 金屬鎢銅基復合材料性能研究

為了系統(tǒng)測試金屬鎢銅基復合材料物理性能，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合材料進行硬度、摩擦力、耐磨性做橫向?qū)Ρ冉Y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 金屬鎢銅基復合材料在礦山機械中的實際應用

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

2.1 礦山豎井罐籠應用研究

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，這就要求相關設備材料具有高耐熱性。導向索固定在罐籠上，工作時會與導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，采用金屬鎢銅基復合材料制備導索和相關設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，不需要設備頻繁更換[4]。

2.2 礦山機械爬坡推車機滾輪中的應用

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 結語

除了上述應用外，金屬鎢銅基材料因為其獨有性能在礦山機械產(chǎn)品設計領域還具有廣泛用途。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計應用中會有更廣闊的前景。