刮板輸送機(jī)鏈輪耐磨特性的多方位試驗(yàn)

齊富民

（黃陵鑫橋?qū)崢I(yè)有限責(zé)任公司，陜西 延安 727307）

0 引言

在粉煤灰蒸壓磚制磚原料制備工作環(huán)境中，刮板輸送機(jī)大多數(shù)用于原料車間、運(yùn)輸骨料，極少數(shù)用于運(yùn)輸距離較短的混合料輸送，因此長時(shí)間的工作要受到載荷循環(huán)沖擊作用，為了保證骨料連續(xù)供應(yīng)和輸送機(jī)工作穩(wěn)定性，需要確保輸送機(jī)鏈輪的強(qiáng)度和韌度，同時(shí)具有較好的耐磨性［1-2］。一般而言，鏈輪的耐磨性隨著硬度的提高而加強(qiáng)，應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)越大，鋼的耐磨性越好?；诖耍敬螌Σ煌溳啿牧系哪湍ヌ匦缘闹饕治鼋嵌劝ń饘俨牧系臋C(jī)械性能、鋼的熱處理效果等，以期得到不同的材料作為刮板輸送機(jī)鏈輪的耐磨特征。

1 鏈輪硬度的分析

通過顯微硬度計(jì)對鏈輪的硬度進(jìn)行檢測和分析，采用0.98 N載荷對材料的硬度進(jìn)行測試。測試位置選擇為鏈窩從表面1 mm到芯部，測量間距為1 mm，壓頭持續(xù)時(shí)間為14 s，每個(gè)滲層測試3次，最后通過表面壓坑的深淺和大小取均值得到鏈輪材料的微觀硬度大小。4種材料的微觀硬度特征如圖1所示。從中可以看出，材料1的硬度可達(dá)547，內(nèi)部合金碳化物硬質(zhì)相的含量高，材料3的硬度為521，內(nèi)部合金碳化物含量低于材料1，對于這兩種材料，硬度均隨著齒面深度的加大而減小。材料2的硬度為269，材料4的硬度為295，這兩種材料的硬度隨著齒面深度的加大而變化較小，分布均勻。

由HV-1000型顯微硬度計(jì)對4種材料測試的硬度曲線看出，不同位置表現(xiàn)出的硬度特征不同，接近鏈窩表層的位置硬度相對較高，而且表層與芯部的硬度差異較大，高硬度和低硬度之間的過度區(qū)域較為明顯，這樣可以使得鏈輪在實(shí)際工況條件下形成應(yīng)力集中的可能性減小，穩(wěn)定性增強(qiáng)。從不同材料的硬度特征曲線可以看出，不同的金屬材料，具有不同的機(jī)械性能，因此本次選用材料為C45、45Mn通過淬火、回火，齒部高頻淬火40～50 HRC，無劇烈沖擊、振動(dòng)要求，能夠應(yīng)用于耐磨的鏈輪。Q275焊接后退火約140 HB，能夠應(yīng)用于中低速、傳遞功率不大、尺寸較大的鏈輪，各種組織的耐磨性隨硬度的增加而增加，馬氏體及回火馬氏體具有最高的耐磨性，在相同硬度時(shí)，貝氏體比馬氏體的耐磨性更好，通過分析材料1和材料3選用的材料為C45、45Mn在增加鎢的前提下能夠形成貝氏體，其性能優(yōu)于其他兩種可選材料。

圖1 4種材料的微觀硬度特征示意圖

2 鏈輪磨損性能的分析

鏈輪的耐磨性隨著硬度的提高而加強(qiáng)，但硬度這一指標(biāo)無法完全得到鏈輪的耐磨性特征［4］，故此次通過磨損測試實(shí)驗(yàn)對鏈輪的磨損情況和耐磨性特征進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

2.1 摩擦系數(shù)的影響

利用磨損試驗(yàn)機(jī)對鏈輪的磨損性測試，電腦自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)過程中，利用旋轉(zhuǎn)軸固定試樣，施加一定壓力，使得樣品充分接觸盤面，通過軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)試樣進(jìn)行摩擦。一般情況下，材料磨損演變的過程可分為磨合期、穩(wěn)定性和失效期3個(gè)階段。在磨合階段，隨著滑動(dòng)行程的增加材料的摩擦系數(shù)會(huì)較為快速的增大。在穩(wěn)定階段，摩擦系數(shù)保持一定的穩(wěn)定性，滑動(dòng)行程對摩擦的影響較小。在失效階段，隨著滑動(dòng)行程的增大，摩擦系數(shù)波動(dòng)較大，這是受到粗糙度、摩擦下來的顆粒影響所致。本次得到的試樣摩擦系數(shù)變化特征，如圖2所示。

圖2 試樣摩擦系數(shù)變化特征示意圖

影響磨損的因素很多，例如相互作用表面的相對運(yùn)動(dòng)方式（滑動(dòng)，滾動(dòng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)，沖擊），載荷與速度的大小，表面材料的種類，組織，機(jī)械性能和物理-化學(xué)性能等，各種表面處理工藝，表面幾何性質(zhì)（粗糙度、加工紋理和加工方法），環(huán)境條件（溫度、濕度、真空度、輻射強(qiáng)度和介質(zhì)性質(zhì)等）和工況條件（連續(xù)或間歇工作）等［5-8］。這些因素的相互影響對于磨損將產(chǎn)生或正或負(fù)的效果，從而使磨損過程更為復(fù)雜化?？傮w上，材料特性、表面形狀、工作環(huán)境、載荷作用以及加載速率等因素均會(huì)對磨損造成影響。根據(jù)輸送機(jī)所處的現(xiàn)場環(huán)境，鏈輪磨損的主控因素為載荷作用和加載速率，二者共同作用下鏈輪表面溫度會(huì)提高，從而改變材料的組織結(jié)構(gòu)，加劇鏈輪的磨損度，溫度對鏈輪的摩擦系數(shù)的影響在摩擦過程中，溫度的變化使摩擦副表面材料的性質(zhì)發(fā)生改變，從而影響摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)隨摩擦副工作條件的不同而變化。載荷對鏈輪摩擦系數(shù)的影響規(guī)律曲線，如圖3所示。

圖3 載荷對鏈輪摩擦系數(shù)的影響特征示意圖

從圖3可以看出，不同材料摩擦系數(shù)與載荷變化的規(guī)律基本一致，均為正相關(guān)，根據(jù)阿查德的公式，磨損量與法向載荷成正比只適用于法向載荷較小的情況下，而當(dāng)載荷大到接觸面上摩擦系數(shù)超過0.8（平均壓應(yīng)力超過3 Pa）時(shí)，磨損將會(huì)急劇增大［9-10］。開始時(shí)接觸形式為點(diǎn)接觸，而后轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|，從而增加了接觸范圍，也增大了剪切載荷，另外很多實(shí)驗(yàn)也表明，速度對于各種材料的不同磨損類型都存在著一定的影響。

對比材料1和材料3，當(dāng)載荷從20 N增大到30 N，摩擦系數(shù)分別增大了0.41和0.37；而從30 N增加到40 N，摩擦系數(shù)分別增大了0.28和0.29?？傮w上，在同等載荷作用下，摩擦系數(shù)由大到小依次為材料4、材料2、材料3和材料1，即材料1和材料3的抗磨損效果要更好。

圖4 加載速率對鏈輪摩擦系數(shù)的影響特征示意圖

圖4顯示了加載速率對鏈輪摩擦系數(shù)的影響規(guī)律，一方面相對很小的接觸嚙合力及其變化的影響可以忽略不計(jì)，另一方面，摩擦形成的熱量隨著滑動(dòng)速率的增加而增大，從而加速了氧化膜的形成，降低摩擦系數(shù)。兩個(gè)物體之間的摩擦力與其法向壓力之比值為摩擦系數(shù)，有靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)之分。同一摩擦副在相同條件下，靜摩擦系數(shù)大于動(dòng)摩擦系數(shù)，相同金屬或互溶性加大的金屬摩擦副容易發(fā)生粘著現(xiàn)象，使摩擦系數(shù)增大。不同金屬由于互溶性差，不易發(fā)生粘著，摩擦系數(shù)一般比較低，在研究材料的摩擦系數(shù)時(shí)，應(yīng)特別注意溫度對摩擦系數(shù)的影響。如前所述，溫度不同會(huì)導(dǎo)致摩擦系數(shù)的顯著變化，需通過實(shí)際檢測獲得實(shí)測數(shù)據(jù)。某種材料的摩擦系數(shù)可能會(huì)隨著溫度的變化出現(xiàn)明顯的增長或減少，也可能保持了一定的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。考慮到生產(chǎn)線的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)溫度往往不能很好的控制在室溫附近，因此不僅要測量包裝材料在常溫下的摩擦系數(shù)，還應(yīng)考察在實(shí)際使用環(huán)境溫度下的摩擦系數(shù)，在同等滑動(dòng)速率下綜合考慮，摩擦系數(shù)由大到小排名為：材料4、材料2、材料3和材料1，同樣材料1和材料3的抗磨損效果要更好。由此可見，無論是載荷作用還是滑動(dòng)速率，材料1和材料3的耐磨性要更好。

2.2 表面磨損的形貌特征分析

以作用載荷為40 N為例，不同材料表面磨損的形貌特征如圖5所示；以滑動(dòng)速率為120 r/min為例，不同材料表面磨損的形貌特征如圖6所示。涂層在不同載荷和滑動(dòng)速度條件下的摩擦系數(shù)變化曲線，如圖7所示。

圖5 載荷對材料表面磨損影響的形貌特征示意圖

圖6 滑動(dòng)速率對材料表面磨損影響的形貌特征示意圖

圖7 涂層在不同載荷和滑動(dòng)速度條件下的摩擦系數(shù)變化曲線

表面粗糙度：從圖5中可以看出，當(dāng)加載載荷為40 N，材料表層的粗糙度較為顯著，磨痕較多，機(jī)械理論中提到表面粗糙度對摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的摩擦系數(shù)的影響是由摩擦的分子決定的，理論上來說材料的粗糙度在20～50μm范圍內(nèi)，表面粗糙度對摩擦系數(shù)的影響不大，但當(dāng)表面粗糙度值大于50μm時(shí)，分子分量可以忽略不計(jì)。因此，摩擦系數(shù)隨著表面粗糙度值的減小而降低；當(dāng)表面粗糙度值特別小，小于20μm時(shí)，摩擦系數(shù)中的分子分量起主要作用，機(jī)械分量可以忽略不計(jì)。當(dāng)摩擦系數(shù)隨著表面粗糙度值的減小而增大；表面粗糙度值愈小，實(shí)際接觸面積愈大，因而摩擦系數(shù)也就愈大。從圖6中可以看出，當(dāng)滑動(dòng)速率為120 r/min時(shí)，材料1和材料4的表面膜對摩擦系數(shù)的影響不大，且由于材料具有表面氧化膜的摩擦膜層，其摩擦主要發(fā)生在膜層內(nèi)部。

表面涂層材料：從圖7中可以得出：涂層在不同載荷和滑動(dòng)速度條件下，具有表面氧化膜的摩擦?xí)δΣ聊p試驗(yàn)機(jī)摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響。當(dāng)摩擦主要發(fā)生在膜層內(nèi)時(shí)，由于表面氧化膜的塑性和機(jī)械強(qiáng)度要比金屬材料差，在摩擦過程中，膜會(huì)先被破壞，而金屬摩擦表面不易發(fā)生粘著，致使此類摩擦系數(shù)降低，從而磨損量減少。因此在金屬摩擦表面涂覆軟金屬能有效地降低摩擦系數(shù)。其中以鎘涂層材料（CGr15）對摩擦系數(shù)的影響最為明顯，鎘與基體金屬的結(jié)合力較弱，容易在摩擦?xí)r被擦掉，形成了較為顯著的粘著剝落效果。所以刮板運(yùn)輸機(jī)鏈輪若使用鎘的材料，那么在整體上磨損以磨粒磨損為主，每當(dāng)粘著剝落的磨料粒度小于一定值時(shí)，材料的磨損趨于零。此類材料在某些“粉磨”過程中，材料的磨損是可以忽略不計(jì)。不用擔(dān)心當(dāng)載荷較大時(shí)，因材料摩擦產(chǎn)生小于臨界尺寸的磨粒而對材料造成更大的磨損。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)對零件磨損過程的系統(tǒng)分析，在相同硬度時(shí)，貝氏體比馬氏體的耐磨性好，通過分析本次選用的材料為C45、45Mn，在摻加金屬鎢的前提下能夠形成貝氏體，其性能優(yōu)于其他可選材料，因此在刮板運(yùn)輸機(jī)鏈輪選材上應(yīng)盡量考慮以C45或者45Mn為主要選材方向，再考慮摻加金屬的特性。

（2）通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比顯示材料摩擦系數(shù)與載荷變化的規(guī)律基本一致，C45、45Mn作為選材制作出的配件，無論是載荷作用還是滑動(dòng)速率均優(yōu)于其他材料。

（3）通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，在材料表面涂覆軟金屬鎘后材料的磨損率不隨磨料粒度增加而增加，從而使材料更耐磨。