刮板输送机中部槽用高铬堆焊耐磨板的组织特征及滑动磨损性能文献学习体会

文献概况与研究背景

该文献由中国矿业大学段琪影等人发表于《润滑与密封》2022年第47卷第11期，研究团队获得中央高校基本科研业务费专项资金项目资助。研究针对CM550复合耐磨板在煤矿刮板输送机中部槽上的应用可行性展开，结合刮板输送机中部槽的实际磨损运动特征，系统研究了CM550高铬堆焊耐磨层的组织结构和磨损性能，并深入分析了磨损损伤机制。煤矿刮板输送机是综采工作面运输系统的核心设备，其中部槽作为承载和导向部件，长期承受刮板链的滑动摩擦和煤矸石的冲击磨损，其耐磨性能直接决定了设备的使用寿命和维护成本。

核心观点与技术要点

微观组织特征分析

金相、XRD和TEM分析表明，CM550高铬堆焊层与Q235基体之间形成了良好的冶金熔合，这是保证堆焊层与基体界面结合强度的基础。堆焊层的相组成主要为α-Fe基体和CrC碳化物，其中碳化物以三种形态存在：初生棒状碳化物、共晶片状碳化物和粒状二次碳化物。这三种碳化物形态的形成与凝固过程中的冷却速率和成分偏析密切相关。

滑动磨损性能与损伤机制

滑动磨损实验结果表明，在相同的摩擦因数条件下，CM550耐磨板的相对耐磨性是NM450耐磨钢的2倍以上，且摩擦副材料的磨损质量损失也处于相同水平。这一结果表明CM550不仅自身耐磨，而且不会加剧对偶件的磨损，这对于刮板链等对偶部件的寿命保护具有重要意义。

磨损损伤机制分析揭示了高铬堆焊层优异的耐磨机理：石英砂磨料的磨损主要来自微切削磨损和变形剥落磨损两种机制。铁素体基体区域因硬度较低，首先发生变形剥落磨损，暴露出硬质的CrC碳化物。这些硬质碳化物随后承担了主要的磨损载荷，阻止了石英砂磨料与软铁素体的直接接触，从而减轻了铁素体的进一步磨损。这种"软基体牺牲-硬相保护"的协同机制是高铬堆焊层实现高耐磨性的关键。

工程适用性评价

文献结论明确推荐CM550高铬堆焊耐磨板作为刮板输送机中部槽和煤矿各种耐磨衬板的制造材料。这一推荐基于以下综合考量：冶金熔合良好保证了堆焊层与基体的界面强度；多种形态的CrC碳化物提供了多层次的耐磨防护；相对NM450的2倍以上耐磨性显著延长了使用寿命；对偶件磨损损失相当，不会加速刮板链的磨损。

与工程实践的结合

从煤矿装备工程实践的角度审视，该研究具有直接的工程指导价值。刮板输送机中部槽的磨损是一个复杂的复合磨损过程，涉及刮板链的滑动摩擦、煤矸石的冲击磨损以及煤泥水的腐蚀磨损。CM550高铬堆焊耐磨板的设计思路体现了"以硬抗硬"的耐磨策略，即利用高硬度碳化物相直接承受磨料的切削作用。

在实际工程应用中，需要重点关注以下几个技术环节：第一，堆焊层与Q235基体的冶金熔合质量是堆焊层服役性能的前提，如果熔合不良，堆焊层可能在服役早期发生整体剥落，造成灾难性失效；第二，堆焊层的残余应力控制，高铬合金与碳钢基体的热膨胀系数差异较大，冷却过程中产生的残余拉应力可能诱发裂纹，建议采用合理的预热和层间温度控制；第三，堆焊层的表面粗糙度对摩擦因数和磨损速率有显著影响，过高的表面粗糙度会加剧微切削磨损，建议在堆焊后进行适当的机加工或研磨处理。

从FMEA（失效模式与影响分析）的角度思考，中部槽堆焊层的主要失效模式包括：堆焊层整体剥落（熔合不良）、堆焊层表面磨穿（耐磨性不足）、堆焊层内部裂纹扩展（残余应力过高）、堆焊层与基体界面疲劳断裂（循环载荷作用）。针对每种失效模式，都需要制定相应的预防和控制措施。

关键疑问与思考

该研究虽然对CM550耐磨板的微观组织和磨损机制进行了较为深入的分析，但仍有一些值得进一步探讨的问题。首先，文献中提到的"相同的摩擦因数条件"需要进一步说明，CM550与NM450的摩擦因数是否真的相同？如果不同，耐磨性的比较需要归一化处理。其次，滑动磨损试验是在实验室条件下进行的，而实际刮板输送机中部槽的磨损是滑动、冲击、腐蚀的复合磨损，实验室结果与实际服役性能之间的对应关系需要进一步验证。第三，高铬堆焊层的韧性数据缺乏，在冲击载荷作用下，高硬度碳化物相是否会导致堆焊层的脆性断裂？这对于承受煤矸石冲击的中部槽尤为重要。

此外，从工艺优化角度思考，是否可以通过调整堆焊参数（如焊接电流、焊接速度、层间温度）来优化碳化物的形态和分布？例如，降低冷却速率是否有利于生成更粗大的碳化物，从而提高耐磨性？或者，是否可以通过多层堆焊的方式，在表层形成更细密的碳化物分布，在底层形成更粗大的碳化物骨架，实现耐磨性和韧性的梯度匹配？

学习心得与启示

通过研读该文献，我深刻认识到耐磨材料的设计不能仅关注硬度指标，必须从磨损机制出发，理解硬质相与软基体之间的协同作用机制。CM550高铬堆焊层之所以能够实现优异的耐磨性能，关键在于其"软基体-硬相"的梯度结构在磨损过程中实现了动态的自保护机制。这一认识对于开发新型耐磨材料具有重要的指导意义。

同时，该研究也体现了材料科学研究与工程应用之间的紧密联系。从微观组织分析到磨损机制揭示，再到工程适用性评价，整个研究链条完整而严谨。在煤矿装备领域，材料的选型和工艺设计必须充分考虑实际工况的复杂性，不能简单地将实验室数据直接外推到工程应用。只有将材料科学的机理研究与工程实践的经验积累有机结合，才能开发出真正满足工程需求的耐磨材料和工艺方案。