煤炭作为世界上最重要的基础能源之一，在大力倡导绿色发展的今天，仍有着任何其他能源都不可取代的地位[1]。随着煤炭工业的发展，煤炭综采设备已经在煤炭开采中占据主导地位。刮板输送机，作为现代煤矿综采的核心设备，其失效将直接影响煤矿的生产效率。刮板输送机主要由电机、减速器、液力耦合器、中部槽等组成[2]。其中，中部槽作为整个刮板输送机的核心部分，承担了刮板输送机大部分的载荷，因此，中部槽的失效将直接决定刮板输送机的寿命[1]。
中部槽主要由中板、槽帮、底板、行走机构等组成[2]。在井下复杂多变的工作环境下，中板承担着煤及煤中硬质矿物、刮板和刮板链的磨损，其磨损类型一般包括磨料磨损、黏着磨损、疲劳磨损及腐蚀磨损的综合效应，根据井下条件的不同，磨损类型也不完全相同[3]。在实际工况中，中板上刮板链的链道处是中板磨损最为严重的区域，链道处的磨损将直接影响刮板输送机的寿命[4]，刮板链和中板以及进入它们之间的硬质矿物，形成三体磨损，是典型的磨料磨损。因此，对刮板输送机中板用耐磨钢板进行磨粒磨损性能的评价，对安全生产和节约资源均有着极为重要的意义。
与传统刮板输送机所用的锰钢相比，以瑞典Hardox系列和国内NM400，NM500为代表的低合金耐磨钢由于其更为优异的耐磨性和韧性以及较低的成本，得到了用户的青睐，被越来越多应用于刮板输送机中板。与此相关的研究也越来越集中于低合金耐磨钢的优化与研发上。如
等研究了采用等离子渗氮方法对Hardox钢进行表面强化，发现等离子渗氮显著提高了Hardox钢的耐腐蚀性和耐磨性[5]。SHI和ZHU选用NM400在不同的接触压力和滑动速度下模拟了重载刮板输送机中板的磨损行为，根据实验结果，构建了中板的统计磨损机理分布图[6]。乔燕芳等针对煤矿刮板输送机中部槽中的4种典型中板材料，研究了它们在三体摩擦磨损、腐蚀摩擦磨损、加速腐蚀摩擦磨损3种条件下的磨损性能[7]。刘鉴卫等根据刮板输送机中部槽的使用条件失效形式和性能要求,研究了等温淬火工艺对刮板机中部槽用贝氏体球铁淬火组织和性能的影响[8]。
笔者采用的刮板输送机运用新型耐磨钢材料，是钢铁研究总院研发的一系列含Ti的低合金耐磨钢种。冶炼时添加一定量的Ti，原位析出的TiC经由热轧过程，形成不同尺寸、不同形状的TiC颗粒，达到了细化晶粒，增强钢板耐磨性的目的。笔者着重探索了该耐磨钢的组织、相结构和硬度，研究了在不同磨料作用下耐磨钢的磨料磨损机理，分析了Ti在新型耐磨钢抗磨料磨损行为中的作用。
1 研究方法
1.1 试验材料
根据前期的实验研究，发现含Ti量不超过0.60%时研制钢具有较佳的综合加工性能，若Ti含量过高，易引起焊接开裂。所以试验材料选用新型耐磨钢板Ti20与Ti60，以比较含Ti量的影响以及原位形成的TiC对钢耐磨性的影响及作用机理，其化学成分见表1。耐磨钢板的生产工艺过程如下:炼钢—精炼—VD/RH真空处理—连铸坯—钢坯加热—轧制—淬火(900 ℃水淬)—回火(200 ℃空冷)—成品板。
表1 耐磨钢的化学成分
Table 1 Chemical compositions of wear resistant steels %
材料CSiMnSPCrMoNiTiTi200.220.220.550.0050.0060.820.310.620.20Ti600.310.150.560.0060.0040.820.310.610.61Hardox4500.230.501.600.0100.0251.200.250.250
对比钢为马氏体耐磨钢Hardox450。Hardox450是常用于矿业和建筑机械的低合金耐磨钢，具有高的强韧性，良好的成形性和可焊性。
1.2 磨料磨损试验
根据对失效中板的磨损形貌分析，认为中板的严重磨损区域在链道处，主要是煤中的硬质矿物造成中板的磨料磨损。因此，本磨损实验中，选用石英砂和煤与石英砂混合磨料两种磨料进行磨损试验。磨料磨损试验在MLG-130干式橡胶轮磨粒磨损试验机上进行，试验机示意如图1所示。磨损试样尺寸为75.0 mm×25.5 mm×6.0 mm。橡胶轮直径为178 mm。根据ASTM-G65 干砂橡胶轮磨料磨损实验标准[9]，选择130 N载荷，橡胶轮转速为200 r/min，磨损时间为10 min(转数为2 000 r)。磨料为40～70目的石英砂，砂流速约为340 g/min。
图1 磨损试验机示意
Fig 1 Schematic diagram of test apparatus
为模拟中板的服役工况，选用60目无烟煤+5%石英砂作为混合磨料，所用磨粒形貌如图2所示。混合磨料中煤粉粒度比纯石英砂小，颗粒尺寸不均匀，石英砂是棱角尖锐的颗粒，而煤粉颗粒较为圆钝。由于煤与石英砂密度相差较大，煤粉质量较轻，因此在阀门均完全开启时，所测得的砂流速约为110 g/min。在电子天平上测量样品的质量损失，天平测试精度为0.000 1 g。
图2 磨损试验所用磨料
Fig.2 Abrasives used in abrasion testing
1.3 分析方法
利用扫描电镜LEO-1450观察新型耐磨钢的显微组织和磨损形貌。X射线衍射仪PANalytical AERIS分析新型耐磨钢板的相结构，采用Cu靶Kα辐射，管电压 40 kV，电流为15 mA，测量范围为10°～90°。采用HBRVU-187.5型布洛维光学硬度计对试样进行洛氏硬度HRC测试，测量载荷为1 471 N，加载时间15 s;为了保证数据的准确性，每个试样至少测量5个点，然后取其平均值作为最终硬度数据。
2 实验结果与分析
2.1 新型耐磨钢板的显微组织
如图3所示，Hardox450及含Ti的Ti20，Ti60的显微组织由不同方向的板条组成，是板条马氏体。原奥氏体晶粒被许多取向不同的马氏体束分割。随着Ti含量增加，原奥氏体晶粒度减小，马氏体束的长度减小，说明Ti的存在，起到了细化晶粒的作用。
图3 试验钢的显微组织
Fig.3 Microstructure of tested steels
XRD分析结果如图4所示，红线所示为α-Fe的标准X射线衍射峰，蓝线所示为TiC的标准衍射峰。Ti20和Ti60与 Hardox450的相结构一样均为α-Fe。马氏体为α-Fe的过饱和固溶体，可知Ti20和Ti60为板条马氏体组织。
图4 试验钢的XRD衍射图谱及α-Fe与TiC的标准衍射峰
Fig.4 XRD patterns of tested steels and standard X-ray diffraction peak
在图3(b)，(c)中，可以观察到在Ti20和Ti60原奥氏体晶界处有不规则的黑色多边形颗粒生成，颗粒尺寸为1～5 μm，其中Ti20所生成颗粒尺寸和数量明显小于Ti60。对黑色区域用EDS进行元素面分布检测，发现Ti元素集中分布在多边形颗粒区域(图5)。由于Ti为强碳化物形成元素，只要有足够的C，在适当的条件下会形成TiC颗粒[10]，因此，Ti20和Ti60组织中的多边形颗粒为TiC颗粒。TiC颗粒的存在，一方面对奥氏体晶界起钉扎作用，阻止其长大;另一方面，Ti与C生成TiC，使碳在固溶体中的固溶度降低，从而减小了碳对γ-Fe点阵结合力的影响，阻止奥氏体晶粒长大[10]。因此，Ti20和Ti60的晶粒度明显低于Hardox450，随着含Ti量的升高，晶粒度减小。由于TiC含量太少，所以XRD难以检测出来。但Ti60可在20°～30°及60°～70°附近看到微弱的TiC峰。
图5 试验钢的Ti元素面分布
Fig.5 Distribution of Ti element in tested steels
2.2 新型耐磨钢板的硬度
表2为试验钢的HRC硬度。与Hardox450比，Ti20和Ti60的硬度相差不大，甚至稍低于Hardox450。由图3可知，原位生成的TiC颗粒尺寸仅为1～5 μm，含量也较少，没有对钢板基体硬度产生较为明显的影响。
表2 试验钢的硬度
Table 2 Hardness of tested steels
耐磨钢种类Hardox450Ti20Ti6040.939.738.843.33939.3HRC硬度43.13939.644.140.240.141.740.640.3硬度平均值42.639.739.6
2.3 新型耐磨钢板的磨料磨损性能
2.3.1 石英砂磨料
在石英砂磨料作用下，试验钢的磨损失重和相对耐磨性如图6所示。与Hardox450相比，Ti的加入降低了磨损时的质量损失，即随着Ti含量的增加，磨损失重减少。
图6 石英砂磨料作用下试验钢的磨损失重及相对耐磨性
Fig.6 Wear weight loss and relative wear resistance of tested steels worn by quartz sand
三体磨料磨损试验的磨损率用相对耐磨性β[11]表示
其中，ΔX1和ΔX2分别为对比钢Hardox450和新型耐磨钢Ti20与Ti60的磨损质量损失(3个平行试样的平均值);ρ1和ρ2分别为两种钢的密度。β增加表示钢的耐磨性增加。
根据磨损失重计算相对耐磨性系数β，Ti20和Ti60的相对耐磨性系数分别为1.07和1.293。这表明:在石英砂磨粒的作用下，加入Ti的钢的耐磨性最高可为Hardox450的耐磨性的1.3倍。
图7为3种试验钢的磨损形貌，其中，图7分别为不含Ti的Hardox450、Ti含量约为0.2%的Ti20和Ti含量约为0.6%的Ti60。在石英砂磨料作用下，3种耐磨钢的磨损形貌以微犁削为主，是典型的磨料磨损形貌。如图7(a)所示，Hardox450磨损表面的犁沟方向比较规则，犁沟较长和较深，红框1区域即为磨损表面较长的犁沟。Ti20和Ti60的犁沟长度和深度随着Ti含量的增加而减小。如图7(b)红框3和4区域所示，Ti20表面深度变浅，3区域还存在犁沟受到阻碍，方向偏转的现象。当Ti含量为0.6%时，如图7(c)所示，磨损表面已经不存在长犁沟。因此，Ti的加入能够改善试验钢的耐磨性，当Ti含量为0.6%时，耐磨性最好。
图7 石英砂磨料作用下试验钢的磨损形貌
Fig.7 SEM images of worn appearance of tested steels worn by quartz sand
2.3.2 煤粉与石英砂混合磨料
为模拟刮板输送机在井下工作时的工况，选用60目无烟煤+5%石英砂作为磨料。由图1可知，石英砂颗粒较为尖锐，而混合磨料颗粒比较圆钝。
在煤粉与石英砂混合磨料作用下，3种钢的磨损试验结果如图8所示。与石英砂磨料相比，煤粉与石英砂混合磨料作用时，磨损失重大幅降低，仅为石英砂磨料的4%左右。这是因为石英砂流量比煤粉大，而且石英砂的硬度远远高于煤，且较为尖锐，尖锐的石英砂棱角在法向力的作用下压入材料表面，形成图6所示的犁沟。在表面反复受到犁削和塑性变形的情况下，材料发生剥落，磨损较严重。而混合磨料中石英砂仅占5%，主要成分煤粉的硬度远低于石英砂，是软磨料磨损，此时，犁削效率非常低，磨损量很小。
图8 煤粉与石英砂混合磨料作用下试验钢的磨损失重及相对耐磨性
Fig.8 Wear weight loss and relative wear resistance of tested steels worn by mixed abrasive of quartz sand and coal powder
在磨料为混合磨料的条件下，与Hardox450相比，Ti的加入仍降低了钢的磨损，并且随着Ti含量的增加，磨损失重减少，耐磨性增加。根据磨损失重获得的相对耐磨性系数β直观地反映了加入Ti后耐磨性的变化，在煤粉和石英砂混合磨料作用下，Ti60的耐磨性约为Hardox450的1.28倍。
图9为煤粉磨料作用下，载荷130 N时试验钢随着Ti含量增加，似乎更易发生塑性变形。如图9(a)所示，Hardox450在切削槽处有较多的材料脱落，形成如区域1，2所示的较深的切削槽。此外，在法向力的作用下，磨粒被压入试样表面，在表面形成如区域3所示的压坑或断裂。随着Ti的加入，磨损表面上的这种损伤逐渐减少，可能是由于Ti的加入细化了晶粒，增加了韧性，在磨损时塑性变形分量增加。
图9 煤粉与石英砂混合磨料作用下试验钢的磨损形貌
Fig.9 SEM images of worn appearance of tested steels worn by mixed abrasive of quartz sand and coal powder
2.4 新型耐磨钢的磨损机理
如上所述，Ti的加入细化了晶粒，在硬质的石英砂和软质的煤粉磨料作用下，新型耐磨钢的抗磨料磨损性能都得到了提高，且Ti含量越高，耐磨性越好，当Ti含量为0.6%时，耐磨性约为Hardox450的1.3倍。
图10(a)为在石英砂作用下Ti60的局部磨损形貌，图10(b)为Ti元素在图10(a)所示局部的面分布图，图10(c)为Ti元素在图10(a)所示磨损形貌的面分布示意。在三体磨料磨损条件下，石英砂颗粒以滚动和滑动的混合形式通过试样表面。由于Ti60具有一定的韧性，因此磨损机制主要为微犁削，如图10(a)所示。在磨粒作用于材料表面时，材料更容易被推向两旁和边缘而不发生断裂，形成如图所示的犁沟。当受到随后的磨料作用时，犁沟两侧堆积的材料可能被重新压平，也可能使已变形的材料受到再一次的犁沟变形[12]。如此反复塑变，材料不足以承受外力而发生剥落，也可能由于加工硬化而变脆，最终发生剥落产生磨屑。
图10 石英砂作用下Ti60磨损形貌及其Ti元素面分布
Fig.10 SEM image of worn appearance of Ti60 and the distribution of Ti worn by quartz sand
Ti集中区域没有明显的犁沟，表面为塑性变形挤压坑，犁沟则从2区域的两侧划过，这表明:在TiC析出的局部区域，硬度比马氏体基体高，对磨料起到阻碍作用，因此更加耐磨。
同样的情况也发生在煤粉与石英砂混合磨料情况，如图11所示。图11(a)中红色框区域对应的为图11(b)中Ti元素集中区。犁沟在经过区域1时，被TiC阻止，使沟槽形状发生改变。而犁沟在经过2区域后，深度明显减小。3，4区域虽然没有明显的阻止犁削行为，但在3区域，一条较深的犁削窄槽在经过3后，深度变浅，而在4区域，只有较浅的犁削划痕。
图11 混合磨料作用下Ti60磨损形貌及其Ti元素面分布
Fig.11 SEM image of worn appearance of Ti60 and the distribution of Ti Worn by mixed abrasive
如2.1节所述，Ti为强碳化物形成元素，在新型耐磨钢中主要存在形式为TiC颗粒。由于TiC颗粒是Ti元素与C元素原位生成，粒度为1～5 μm，且与基体结合紧密，因此，在磨损表面上很难从形貌上分辨出TiC颗粒与基体。用EDS面扫描的方法对磨损形貌进行Ti元素的检测，Ti元素集中区应为TiC颗粒存在的区域。虽然难以像外加颗粒一样直观地看到TiC颗粒对于犁沟的阻止作用，但根据以上分析，TiC存在的区域附近出现了犁沟分叉和变浅以及Ti集中区域形貌较为光滑等特征，可以判定，TiC的存在，起到了局部强化作用。尽管析出的少量微米TiC颗粒没有提高钢的整体硬度，但TiC弥散分布在马氏体基体中，对其周围的区域产生了局部强化，提高了局部硬度和对磨料的阻碍作用，使得新型耐磨钢Ti20与Ti60的耐磨料磨性能都得到了提高。
3 结 论
(1)新型耐磨钢Ti20与Ti60的显微组织与马氏体耐磨钢Hardox450类似，为板条马氏体。Ti为强碳化物形成元素，与C在奥氏体晶界处原位生成形状不规则的TiC颗粒，尺寸为1～5 μm。TiC颗粒钉扎奥氏体晶界，阻止了晶粒长大，因此Ti20与Ti60的晶粒度均小于Hardox450，且随着Ti含量的增加，钢的晶粒度减小。
(2)钢在石英砂磨料的微犁削沟槽深度和宽度远大于煤的磨损。无论在石英砂还是煤的磨损条件下，钢的磨损失重都随着Ti的增加而降低，Ti含量越高，磨损失重越小。Ti60的耐磨性最高可达Hardox450的1.3倍。
(3)尽管新型耐磨钢的整体硬度没有提高，但Ti与C原位生成的TiC颗粒弥散分布在基体中，起到了局部强化作用，提高了周围区域的硬度和对磨料的阻碍作用，提高了新型耐磨钢Ti20与Ti60的耐磨性。
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