新型耐磨鋼ANM450在煤礦礦井水環(huán)境下的腐蝕磨損行為*

楊 鵬 胡 純 陳華輝 馬 峰 滕 子

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院 北京 100083)

刮板輸送機(jī)作為現(xiàn)代煤礦綜采技術(shù)中重要的大型運(yùn)輸機(jī)械，是煤礦集約化、機(jī)械化采煤的關(guān)鍵，承擔(dān)著快速運(yùn)輸、高效運(yùn)輸、安全運(yùn)輸?shù)闹匾氊?zé)[1-2]。刮板輸送機(jī)的輸運(yùn)能力及效率對于煤炭開采起著決定性作用，由于刮板輸送機(jī)作業(yè)時，中部槽最容易受到腐蝕磨損破壞，其使用壽命很大程度上也由中部槽的腐蝕磨損情況決定，因此，必須加大對中板材料腐蝕磨損的研究投入和研究力度。

綜上所述，刮板輸送機(jī)中板材料失效及材料改進(jìn)研究主要集中在中板材料的磨損方面，對于腐蝕磨損研究較少。但由于煤礦井下的相對濕度最高可達(dá)95%以上，刮板運(yùn)輸機(jī)長期處于潮濕環(huán)境中，甚至有部分刮板運(yùn)輸機(jī)將會半浸泡于礦井水中工作[13-14]，這會造成嚴(yán)重的腐蝕磨損。因此，必須加大對刮板輸送機(jī)中板腐蝕磨損方面的研究，特別是酸堿、高礦化度等苛刻工況環(huán)境下的耐腐蝕磨損性能的研究。本文作者以新型含Ti低合金耐磨鋼ANM450為研究對象，著重研究了ANM450的組織、相結(jié)構(gòu)、硬度以及在不同煤礦礦井水環(huán)境下的腐蝕磨損性能及機(jī)制，目的是對今后新型耐磨鋼的研發(fā)提供指導(dǎo)和參考。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

前期研究表明，冶煉過程中對低合金鋼添加適量的Ti，軋制過程中可發(fā)生原位反應(yīng)生成TiC顆粒，在不降低其硬度的前提下可以有效地提高低合金鋼的耐磨性[15-17]。隨著Ti含量的增加，TiC顆粒含量增加，鋼的耐磨性得到有效提高。文中采用含Ti量為0.49%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的新型耐磨鋼ANM450作為研究材料，對比材料為國內(nèi)外常用的低合金馬氏體耐磨鋼Hardox450，2種鋼化學(xué)成分見表1。新型耐磨鋼ANM450的生產(chǎn)工藝過程如下：煉鋼—精煉—VD/RH 真空處理—連鑄坯—鋼坯加熱—軋制—二次軋制(880 ℃)—終軋(820 ℃)—返紅(300 ℃)—加熱(1 200 ℃)—回火(200 ℃空冷)—成品板[18-19]。

表1 耐磨鋼的化學(xué)成分 單位：%

利用掃描電鏡ZEISS Gemini 300觀察ANM450及Hardox450的顯微組織和腐蝕磨損形貌，觀察ANM450組織中TiC顆粒的形狀及分布；使用X射線衍射儀PANalytical AERIS分析新型耐磨鋼板ANM450的相結(jié)構(gòu)；采用HBRVU-187.5型布洛維光學(xué)硬度計測試鋼的洛氏硬度HRC。

1.2 模擬礦井水制備

為了模擬礦井下工況環(huán)境，研究新型耐磨鋼ANM450在不同苛刻工況下的腐蝕磨損性能與機(jī)制，首先查閱了4臺煤礦酸性礦井水水質(zhì)[20]、寧煤集團(tuán)所屬四大煤礦高礦化度礦井水水質(zhì)[21]和遼寧阜新礦區(qū)堿性礦井水的化學(xué)組成[22]，并模擬配制出偏酸性、高礦化度、偏堿性3種類型礦井水，同時以去離子水作為對比(以下簡稱為4種模擬礦井水)，具體組成和含量見表2。在這4種模擬礦井水中進(jìn)行濕砂磨料磨損試驗。

表2 4種模擬煤礦礦井水化學(xué)組成

1.3 濕砂磨料磨損試驗

采用MLS-23型濕砂橡膠輪式磨損試驗機(jī)進(jìn)行腐蝕磨損試驗，試驗機(jī)示意圖見圖1。磨損試樣尺寸為57 mm×25.5 mm×6 mm，橡膠輪直徑為178 mm，橡膠輪硬度為70邵爾硬度。砂漿為40～70目石英砂+4種模擬礦井水，混合質(zhì)量比為1∶1.5。濕砂磨損試驗嚴(yán)格按照ASTM-G65試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[23]，選擇40、100、140 N 3種載荷，橡膠輪轉(zhuǎn)速為200 r/min。為了減少誤差，每組實驗采取3個平行試樣，采用失重法測量每個試樣的磨損量，電子天平精度為0.000 1 g。

圖1 濕砂磨損試驗機(jī)工作示意

考慮到刮板輸送機(jī)在煤礦井下工作狀態(tài)以及維修等情況，為了更好地探究中板材料腐蝕與磨損交互作用機(jī)制，采用連續(xù)磨損和間歇磨損2種方式進(jìn)行實驗，磨損總時長為20 min。實驗流程如下：

連續(xù)磨損：預(yù)磨1 min→清洗稱重→磨損10 min→清洗稱重→磨損10 min→清洗稱重

間歇磨損：預(yù)磨1 min→清洗稱重→磨損10 min→清洗稱重→浸泡48 h→除銹→清洗稱重→磨損10 min→清洗稱重

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 新型耐磨鋼的顯微組織及硬度

圖2(a)、(b)示出了ANM450的顯微組織，圖2(c)、(d)示出了Hardox450的顯微組織?？芍?，2種鋼顯微組織都以板條馬氏體為主，ANM450組織中馬氏體細(xì)小，基體中彌散分布有深灰色形狀不規(guī)則的微米顆粒，顆粒尺寸為1～10 μm。

圖2 ANM450和Hardox450的顯微組織

圖3示出了顆粒聚集區(qū)的EDS能譜分析結(jié)果，可看出顆粒為Ti和C富集區(qū)。Ti是典型的強(qiáng)碳化物形成元素，在冶煉過程中鋼液中的C充足，在合適的條件下就可以生成形狀不規(guī)則、大小不一的黑色TiC顆粒。

圖3 新型耐磨鋼ANM450中Ti和C元素面分布

由此可知，新型耐磨鋼ANM450馬氏體晶粒變細(xì)小主要是因為TiC顆粒的存在。ANM450鋼中原奧氏體晶粒尺寸為5～7 μm，在生長過程中，TiC顆粒阻礙了奧氏體晶界生長，在晶界處形成釘扎效應(yīng)，細(xì)化了奧氏體晶粒。同時，Ti與C反應(yīng)生成TiC過程中不斷消耗碳，原奧氏體中的碳含量不斷減少，固溶度降低，使得碳對γ-Fe 點陣的結(jié)合力影響減弱，奧氏體晶粒長大變得困難[24]。

圖4示出了ANM450和Hardox450的XRD分析結(jié)果。對比α-Fe標(biāo)準(zhǔn)衍射圖譜，可知ANM450和Hardox450的相結(jié)構(gòu)相同，都是α-Fe，但ANM450的XRD圖譜中未發(fā)現(xiàn)明顯的TiC衍射峰，主要是因為新型耐磨鋼ANM450中的Ti含量較低，在進(jìn)行X射線衍射測試過程中，當(dāng)某相在其中的含量占比小于5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，將不會出現(xiàn)波峰，所以ANM450衍射圖譜中很難發(fā)現(xiàn)TiC的衍射峰。

圖4 ANM450和Hardox450 XRD圖譜

表3給出了2種耐磨鋼的力學(xué)性能測試結(jié)果，HRC硬度測試條件為載荷1 471 N，保壓時間為10 s。可知新型耐磨鋼ANM450和Hardox450的洛氏硬度平均值相差不大，這主要是因為ANM450中原位生成的超硬TiC顆粒較少，顆粒尺寸也較小，同時分布也不均勻，所以對基體本身的硬度貢獻(xiàn)并不大。

表3 耐磨鋼的力學(xué)性能測試結(jié)果

2.2 新型耐磨鋼的腐蝕磨料磨損性能

2.2.1 連續(xù)磨損

連續(xù)磨損條件下，2種耐磨鋼的磨損量和相對耐磨性分別見圖5和圖6，這里的相對耐磨性是指相對于pH=7模擬礦井水砂漿中Hardox450的磨損量?？芍?種砂漿中，ANM450的磨損量都小于Hardox450，說明新型耐磨鋼ANM450的耐腐蝕磨損性能優(yōu)于Hardox450，這主要是因為新型耐磨鋼ANM450中TiC顆粒起到了提高耐磨損性能的作用(見2.4節(jié))。4種模擬礦井水砂漿中2種耐磨鋼的相對耐磨性ε表現(xiàn)為：在偏酸性和偏堿性環(huán)境中腐蝕磨損量最大，最容易造成腐蝕磨損失效，其次是高礦化度環(huán)境，在去離子水環(huán)境中最不容易腐蝕磨損。這主要是因為耐磨鋼在pH=5、pH=9模擬礦井水砂漿中磨損時，耐磨鋼受到酸堿侵蝕作用，腐蝕加速了磨損；在pH=8模擬礦井水砂漿中磨損時，主要是其中的Ca2+、Mg2+離子在耐磨鋼表面加速形成銹垢導(dǎo)致相對耐磨性較差；而在pH=7模擬礦井水砂漿中，由于是去離子水，腐蝕作用減輕，耐磨鋼的相對耐磨性最好。

圖5 耐磨鋼在4種模擬礦井水砂漿中的連續(xù)磨損失重

圖6 連續(xù)磨損條件下2種耐磨鋼在4種模擬礦井水砂漿中的相對耐磨性

3種載荷下2種耐磨鋼的連續(xù)腐蝕磨損量比較如圖7所示?？芍S著載荷的增大，2種鋼的腐蝕磨料磨損量增加;在40～100 N載荷區(qū)間內(nèi)，2種耐磨鋼的腐蝕磨損量增加趨勢較平緩，100～140 N載荷下，腐蝕磨損量上升趨勢顯著增大;在3種載荷下，新型耐磨鋼ANM450的腐蝕磨損量都低于Hardox450，說明ANM450相比于Hardox450具有更優(yōu)的耐腐蝕磨損性能。在4種模擬礦井水砂漿中，2種耐磨鋼的腐蝕磨損量整體表現(xiàn)出：pH9>pH5>pH8>pH7，說明在酸、堿、高礦化度苛刻環(huán)境中造成的腐蝕磨損也較大。

圖7 載荷對耐磨鋼連續(xù)腐蝕磨料磨損的影響

2.2.2 間歇磨損

間歇磨損條件下，2種耐磨鋼的磨損量如圖8所示，相對耐磨性如圖9所示，此處的相對耐磨性為相對于pH=7模擬礦井水砂漿中Hardox450的磨損量。間歇腐蝕磨料磨損相比連續(xù)腐蝕磨料磨損，增加了一個單獨浸泡腐蝕48 h的過程，這個過程主要是模擬刮板輸送機(jī)中板在停工維修或者輪休換班期間只受到周圍環(huán)境的腐蝕，不遭受磨損。由圖8可知，在3種載荷、4種模擬礦井水砂漿中，新型耐磨鋼ANM450的磨損量都小于Hardox450，說明新型耐磨鋼ANM450的耐腐蝕磨損性能好于對比鋼Hardox450。由圖9可知，4種模擬礦井水砂漿中，連續(xù)腐蝕磨損相對耐磨性要高于間歇腐蝕磨損相對耐磨性，說明在加入浸泡過程之后，2種耐磨鋼的相對耐磨性變差，這說明浸泡腐蝕對于耐磨鋼的耐腐蝕磨損性能會產(chǎn)生影響。隨著載荷的升高，4種砂漿中新型耐磨鋼ANM450和Hardox450的相對耐磨性都有所下降，這表明載荷越高，耐磨鋼的相對耐磨性越低。耐磨鋼在pH=5、pH=9模擬礦井水砂漿中磨損時，耐磨鋼受到酸堿侵蝕作用加劇，腐蝕加速了磨損，在pH=8模擬礦井水砂漿中磨損時，主要是其中的Ca2+、Mg2+離子在耐磨鋼表面加速形成銹垢導(dǎo)致相對耐磨性較差，而在pH=7模擬礦井水砂漿中，由于是去離子水，腐蝕作用減輕，耐磨鋼的相對耐磨性最好。

圖8 間歇條件下耐磨鋼在4種模擬礦井水砂漿中的磨損量

圖9 間歇條件下耐磨鋼在4種模擬礦井水砂漿中的相對耐磨性

3種載荷下2種耐磨鋼的間歇腐蝕磨損量比較如圖10所示。

圖10 載荷對耐磨鋼間歇腐蝕磨料磨損的影響

由圖10可知，隨著載荷的增大，2種鋼的腐蝕磨料磨損量增加;在40～140 N載荷區(qū)間內(nèi)，2種耐磨鋼的腐蝕磨損量增加趨勢大致為線性增長;在3種載荷下，新型耐磨鋼ANM450的腐蝕磨損量都低于Hardox450，說明ANM450相比于Hardox450具有更優(yōu)的耐腐蝕磨損性能。在4種模擬礦井水砂漿中，2種耐磨鋼的腐蝕磨損量整體表現(xiàn)出：pH9>pH5>pH8>pH7。

2.3 腐蝕對磨損的作用

耐磨鋼板的腐蝕磨損不僅僅是單獨腐蝕和單獨磨損的簡單疊加，而是機(jī)械作用和化學(xué)作用交互促進(jìn)的結(jié)果，在腐蝕磨損過程中腐蝕和磨損都會對腐蝕磨損的結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。腐蝕加速磨損，磨損促進(jìn)腐蝕，兩者交互作用，加速耐磨鋼板的失效，文中著重討論腐蝕對磨損的促進(jìn)作用。根據(jù)式(1)可以計算2種耐磨鋼在4種模擬礦井水中浸泡腐蝕48 h后腐蝕促進(jìn)磨損率(X)：

(1)

式中：ΔW=WJ-WL，WJ為間歇磨損中產(chǎn)生的質(zhì)量損失，WL為連續(xù)磨損中產(chǎn)生的質(zhì)量損失。

2種鋼在3種載荷、4種模擬礦井水砂漿中腐蝕促進(jìn)磨損率如圖11所示。

圖11 2種鋼在3種載荷、4種模擬礦井水中的腐蝕促進(jìn)磨損率

由圖11可知，2種鋼經(jīng)過腐蝕浸泡48 h后都對磨損產(chǎn)生了促進(jìn)作用，其中載荷為100 N時，2種鋼的腐蝕促進(jìn)磨損率最大，140 N載荷次之，40 N載荷最小；不同種類模擬礦井水中，新型耐磨鋼ANM450的腐蝕促進(jìn)磨損率總體上大于Hardox450。2種耐磨鋼在3種載荷下的腐蝕促進(jìn)磨損率呈現(xiàn)倒V字形，其中100 N載荷下2種耐磨鋼的腐蝕促進(jìn)磨損率都最大，這說明了腐蝕促進(jìn)磨損率存在一個最大值。

新型耐磨鋼ANM450在4種模擬礦井水砂漿中的腐蝕促進(jìn)磨損率都大于Hardox450，這說明了相同情況下新型耐磨鋼ANM450的耐腐蝕性能相對較差，在不同載荷下都對磨損產(chǎn)生更強(qiáng)的促進(jìn)作用，在腐蝕環(huán)境下會大大降低其耐磨損性能的發(fā)揮。

2.4 腐蝕磨損形貌及機(jī)制

圖12顯示了ANM450在pH=5、pH=7、pH=8、pH=9四種模擬礦井水砂漿中的腐蝕磨損表面形貌。ANM450的磨損形態(tài)以微犁削為主，同時試樣表面分布有形狀大小不一的疲勞剝落坑和少量磨屑，說明ANM450鋼在濕砂磨損過程中存在不同的磨損機(jī)制。在石英砂磨料作用下試樣表面先發(fā)生塑性變形后產(chǎn)生微犁削，塑性變形和微犁削都會產(chǎn)生大量磨屑，但在圖中只發(fā)現(xiàn)少量磨屑，說明濕砂磨損過程中，腐蝕液會不斷沖刷試樣表面，致使塑性變形和微犁削產(chǎn)生的磨屑掉落，這樣加速了磨損質(zhì)量損失。

圖12 ANM450在4種模擬礦井水砂漿中的腐蝕磨損表面形貌

圖12中磨痕的方向大致沿著試樣的磨損方向分布，但磨痕淺短，方向雜亂，無序分布，這說明石英砂在ANM450試樣表面滑動過程中遇到了阻礙，致使磨痕淺短無序。同時試樣表面發(fā)生滑動時會出現(xiàn)轉(zhuǎn)向和部分磨痕深度也逐漸變淺變窄，這說明ANM450鋼中的TiC顆粒會阻礙石英砂在試樣表面的滑動，尺寸較大的TiC顆粒會阻斷石英砂在試樣表面滑動，尺寸較小的TiC顆粒會阻礙石英砂在試樣表面發(fā)生滑動，從而使石英砂滑動方向改變。4種環(huán)境下ANM450的腐蝕磨損表面形貌沒有明顯差別，主要有兩方面原因，第一是濕砂磨損試驗時間較短，試樣腐蝕的現(xiàn)象不明顯，第二是由于磨損過程中試樣表面受到石英砂和橡膠輪的摩擦，表面腐蝕區(qū)被不斷磨損掉落。

圖13顯示了Hardox450在pH=5、pH=7、pH=8、pH=9四種環(huán)境下的腐蝕磨損表面形貌。Hardox450的腐蝕磨損表面形貌都是以塑性變形、微犁削為主,試樣表面分布有形狀大小不一的剝落坑和少量磨屑。相比于ANM450磨痕形狀和分布，Hardox450的磨痕特征沿著磨損方向呈直線分布，磨痕很少出現(xiàn)中斷和轉(zhuǎn)向，并且試樣表面也沒有大的塑性變形區(qū)出現(xiàn)。說明Hardox450的耐磨損性能主要是依靠基體板條狀馬氏體的高耐磨性能來實現(xiàn)。在濕砂磨損過程中，Hardox450試樣表面出現(xiàn)了微切削現(xiàn)象，主要是石英砂尖端被橡膠輪壓入基體組織內(nèi)，在擠壓力和推力的作用下不斷向前不受任何阻礙，所以在基體表面留下深淺不一的塑性變形磨痕和切削痕。

圖13 Hardox450在4種模擬礦井水砂漿中的腐蝕磨損表面形貌

圖14所示新型耐磨鋼ANM450在偏酸性模擬礦井水中連續(xù)磨損后的局部磨損形貌以及Ti、C元素分布。由圖14(a)可知，新型耐磨鋼ANM450表面主要以微犁削產(chǎn)生的磨痕為主，磨痕雜亂無序，在微犁削磨痕區(qū)域兩邊有塑性變形區(qū)以及磨屑，同時在磨損表面還可以發(fā)現(xiàn)許多剝落坑。對該區(qū)域進(jìn)行EDS元素能譜分析可以發(fā)現(xiàn)，在剝落坑附近都有Ti元素聚集。圖14(a)中白色方框區(qū)域1處，可以發(fā)現(xiàn)磨痕在該處主要發(fā)生了2個變化，第一是磨痕方向在該處發(fā)生了明顯的偏轉(zhuǎn)，這主要是因為磨痕偏轉(zhuǎn)處有TiC顆粒，當(dāng)磨料滑動到該處時遇到TiC顆粒，促使磨痕發(fā)生了偏轉(zhuǎn)；第二個變化是原先寬大的磨痕在該處發(fā)生偏轉(zhuǎn)之后變細(xì)變窄，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是石英砂遇到TiC顆粒發(fā)生偏轉(zhuǎn)，TiC顆粒阻礙了石英砂的滑動，石英砂在運(yùn)動的過程中容易掉落或者被擠碎掉落，使得磨痕磨損減少或者停止，這是新型耐磨鋼ANM450耐磨性能提高的微觀機(jī)制。

圖14 ANM450在偏酸性模擬礦井水中連續(xù)磨損形貌及Ti、C元素面分布

3 結(jié)論

(1)在4種模擬礦井水砂漿中，新型耐磨鋼ANM450的磨損量都小于Hardox450，說明在磨損占主導(dǎo)的情況下ANM450的耐磨損性能好于Hardox450；2種耐磨鋼在不同砂漿中的相對耐磨性排序為：pH7>pH8>pH9>pH5，說明耐磨鋼在酸、堿、高礦化度苛刻環(huán)境中的腐蝕磨損較嚴(yán)重。

(2)3種載荷下，2種耐磨鋼的連續(xù)腐蝕磨損量隨著載荷的增大而增大，ANM450的耐腐蝕磨損性優(yōu)于Hardox450。

(3)ANM450和Hardox450的腐蝕磨損機(jī)制主要以微犁削為主。新型耐磨鋼ANM450由于基體中彌散分布的TiC顆粒起到了局部強(qiáng)化的作用，同時阻礙磨料在耐磨鋼表面滑動，從而表現(xiàn)出較優(yōu)的耐磨性。

(4)在4種模擬礦井水砂漿中，新型耐磨鋼ANM450的腐蝕促進(jìn)磨損率都高于Hardox450，且在酸、堿和高礦化度苛刻環(huán)境中，腐蝕加速磨損的作用更大。