液压支架表面处理方法研究进展

2021/7/22液压支架表面处理方法研究进展辽宁工程技术大学材料科学与工程学院任鑫副教授2021/7/22液压支架在煤矿综采工作面,起支护采场顶板、维护安全作业空间、推移工作面设备等作用,是现代煤矿实现采煤、运输和支护等所有工序全部机械化的重要环节,其对现代煤矿生产具有举足轻重的意义。但矿井特殊的环境会造成液压支架的腐蚀,从而影响液压支架的使用寿命,如何提高液压支架的防腐性能,延长液压支架的使用寿命,已经成为煤矿开采的一个重要研究课题。这里探讨了利用表面处理工艺提高液压支架防腐性能的一些方法。2021/7/22矿井环境液压支架用材及失效形式表面处理工艺展望2021/7/221矿井环境我国煤炭主要是地下开采,煤矿井筒潮湿,淋水,相对湿度大。矿井水质成分变化复杂,一般矿井水质pH值为7～9,部分矿井pH值为5～7,个别情况甚至为pH值为2～3,使得服役于矿井的钢结构件腐蚀严重,一般腐蚀速度0·17mm/a,最大可达0·5mm/a。矿井采煤工作面和巷道阴暗、潮湿,含有大量SO2、H2S、氮氧化合物、粉尘和高瓦斯等,它们溶解在井水里,生成各种腐蚀性电解质水溶液;矿井强制通风,在潮湿的环境中满足了电化腐蚀的吸氧腐蚀条件。腐蚀是指金属受到周围介质的电化学作用或化学作用发生的破坏现象,全世界每年生产金属材料约7亿t,其中三分之一因腐蚀而报废。2021/7/22此外，大气中的粉尘凝聚在金属表面之后,吸收了水分,成为许多局部的电化学腐蚀源。粉尘或泥浆的流动冲刷,会使金属的新鲜活性表面显露出来,遭受腐蚀;另外井水中的氯离子起着去极化作用,能加速金属设备的腐蚀。2021/7/222液压支架用材及失效形式使用要求：液压支架在工作面开采过程中,需要长期承受载荷和不断运动,并且矿井环境对钢结构件有很强的腐蚀性,这些对支架材料的强度、耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性能等均有比较高的要求,因此,支架结构件的材料,在具有高强度的同时应有足够的耐腐蚀性和耐磨性,从而保证支架的长期安全使用。2021/7/22常用材料：液压支架所用板材基本上以低合金高强度钢为主,我国液压支架结构件大多采用16Mn低合金钢板,立柱和千斤顶大都采用35钢、25CrMo、27SiMn、25CrMo4和40Cr等强度高、可焊性好的钢材,但是这些材料若不经过一定的处理来提高其防腐耐磨性,就很难达到矿井的使用要求。2021/7/22失效形式：主要是由支架结构件的腐蚀磨损引起的。井下强烈的腐蚀环境会破坏立柱和千斤顶的表面,使表层脱落,油缸和活塞密封失效,从而导致整个支架的失效。随着科学技术的发展,我国煤矿采煤机械化程度不断提高,全国现有综采工作面260多个,约有立柱10万根。同时还有1000多个高档普采工作面,单体液压支柱达300万根。据了解,全国每年有相当数量的立柱是因腐蚀而损坏,单体液压支柱的腐蚀损坏程度尤为严重,至90年代初,全国累计报废的单体液压支柱已达50万根。2021/7/22腐蚀原因：1）立柱和单体液压支柱处于电解液、潮湿空气和粉尘中,由于种种原因金属表面存在许多极微小的电极,形成腐蚀电池,也称腐蚀微电池,微电池工作的过程就是腐蚀过程。比如，立柱和单体液压支柱的缸筒大都由27SiMn无缝钢管经机械加工而成。液压缸筒除钢铁基材外还含有渗碳体等少量杂质。这些杂质的电极电位代数值较钢铁大,于是产生了电位差,即这些杂质与钢铁基材构成腐蚀微电池。2021/7/222）立柱工作时,液压缸内充满乳化液,乳化液由95%的水与5%的乳化油混合配制而成,乳化液本身也是一种电解质溶液。由于钢铁基材与杂质之间产生电位差,电化学腐蚀得以不断进行。如果乳化液的配比不符合要求(即浓度低),或配制乳化液的水质偏酸或偏碱,液压缸的腐蚀将更加严重。2021/7/223）井下空气湿度大,液压支柱活柱表面对井下空气中的水分有吸附作用,在活柱表面形成水膜。如果活柱镀层表面存有孔隙,孔隙内便充满水。水的电离度虽小,但仍能电离成H+和OH-离子,这些离子溶液会穿入镀层孔隙,渗透到钢铁基体上,产生电化学腐蚀反应。加之水膜中溶解了井下有害气体,腐蚀情况随之加剧,使镀层失去保护金属的作用。2021/7/224)单体液压支柱采用外供液方式,当单体液压支柱降柱后,上腔则与空气接触,其腐蚀机理与活柱表面的腐蚀相同。尽管通常采用镀铜处理，但由于缸筒铜镀层仅有25～40μm,腐蚀很快穿透铜镀层到达钢基材,使腐蚀速度进一步加快。由于立柱采用封闭循环供液系统,液压缸内壁的腐蚀情况比单体液压支柱要轻得多,故其使用寿命要长得多。2021/7/223表面处理工艺表面强化技术主要提高工件表面硬度、疲劳强度、耐磨性、抗蚀性、耐热等。在液压支架上应用的表面处理主要是提高工件的防腐耐磨性,这是由煤矿特殊的腐蚀环境决定的。2021/7/223.1化学热处理金属表面化学热处理是利用元素扩散性能，使合金元素渗入金属表层的一种热处理工艺。其基本工艺过程是：首先将工件置于含有渗入元素的活性介质中加热到一定温度，使活性介质通过分解，并释放出欲渗入元素的活性原子，活性原子被表面吸附并溶入表面、溶入表面的原子向金属表层扩散渗入形成一定厚度的扩散层，从而改变表层的成分、组织和性能。2021/7/22化学热处理时分解出被渗元素的活性原子的化学反应有如下几类：a．分解反应普通气体渗碳及气体渗氮都属于这一类。例如用甲烷渗碳CH4＝2H2十[C]b．置换反应例如渗金属时，常按下列反应进行MeClx+Fe→FeCl3+Me在钢表面沉积出金属。c．还原反应例如渗金属时有时按下列反应进行MeClx+H2→FeCl3+Me2021/7/22表面化学热处理的目的（1）提高金属表面的强度、硬度和耐磨性。如渗氮可使金属表面硬度达到950HV～1200HV；渗硼可使金属表面硬度达到1400HV～2000HV等，因而工件表面具有极高的耐磨性。（2）使金属表面具有良好的抗粘着、抗咬合的能力和降低摩擦系数，如渗硫等。2021/7/22（3）提高材料疲劳强度。如渗碳、渗氮、渗铬等渗层中由于相变使体积发生变化，导致表层产生很大的残余压应力，从而提高疲劳强度。（4）提高金属表面的耐蚀性，如渗氮、渗铝等。2021/7/223.1化学热处理化学热处理是较为普及的一种表面技术,在液压支架上主要有以下几种热处理方法来改善材料的性能:1渗金属、渗碳+淬火。渗金属是指使金属原子渗入钢的表面层的过程,它是使钢的表面层合金化,以使工件表面具有某些合金钢、特殊钢的特性,如耐热、耐磨、抗氧化、耐腐蚀等。生产中常用的有渗铝、渗铬、渗硼、渗硅等。渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程,再经过淬火和低温回火,使工件的表面层具有高硬度和耐磨性淬火能增加钢的强度和硬度。2021/7/22a渗铝上世纪六﹑七十年代发展起来的一项新技术，具有高温抗氧化性﹑良好的耐蚀性等优异的应能。因此，在冶金﹑石油﹑化工﹑飞机等方面得到广泛应用，并发展了以渗铝为基的铝铬复合渗﹑铝硅复合渗﹑铝铬硅三元复合渗。目前应用的渗铝方法有：粉末法﹑料浆法﹑气体法﹑喷镀法﹑电泳法﹑快速电加热法。2021/7/221)粉末包渗法这种方法的早期应用是把工件埋入装有渗层金属粉末的容器里进行加热扩散，但由于烧结使得表面难以清理，后来便进行了改进，在粉末中加入了防粘结粉末（如Al2O3）和活化剂（助渗剂）。活化剂一般为卤化物，如MH4CI，MH4Br，MH4I等。以NH4Cl为例，加热时发生下列反应：2021/7/222)快速电加热法效率高，容易实现自动控制，渗铝层性能好。工件→喷镀铝工件→高频电流加热扩散并退火工件→电泳法沉积铝→高频电流加热扩散并退火3)喷镀法在经过喷丸处理或喷沙处理的构件表面,使用喷镀专用的金属喷镀装置(电弧喷镀/火焰喷镀等),按规定的工艺规程喷镀铝.工件→热喷镀铝→扩散退火→清理→成品性能及应用：1)抗高温氧化性2)耐蚀性2021/7/22渗碳的目的钢在渗碳就是钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面，获得一定的表面含碳量和一定碳浓度梯度的工艺。这是机器制造中应用最广泛的一种化学热处理工艺，提高表面硬度﹑耐蚀性和耐磨性。方法气体渗碳法：气体渗碳是工件在气体介质中进行碳的渗入过程的方法，是目前工业生产中应用最广泛的一种渗碳法。渗碳气体可以用碳氢化合物有机液体，如煤油、等直接滴入炉内汽化所得。b、渗碳2021/7/22液体渗碳法：液体渗碳是在能析出活性碳原子的盐浴中进行的渗碳方法。液体渗碳其优点是加热速度快，加热均匀，便于渗碳后直接淬火。缺点是多数盐浴有毒。渗碳盐浴一般由三部分组成。第一部分是加热介质，通常用NaCl和BaCl2或NaCl和KCl混合盐。第二部分是活性碳原子提供物质，常用的是剧毒的NaCN或KCN，我国有的地区采用“603'’渗碳剂，其配方是粒度为100目的木炭粉，5％NaCl，10％KCl，15％Na2CO3和20％(NH2)2CO，达到原料无毒，但反应产物仍有毒。第三部分是催渗剂，常用的是占盐浴总量5—30％的碳酸盐(Na2CO3或BaCO3)。2021/7/22固体渗碳它是一种传统的渗碳方法，它使用固体渗碳剂（主要由一定大小的固体炭粒和起催渗作用的碳酸盐组成）。在固体渗碳中，膏剂渗碳具有工艺简单方便的特点，主要用于单件生产，局部渗碳或返修处理。2021/7/22渗碳后的热处理：工件渗碳后，提供了表层高碳，心部低碳这样一种含碳量的工件。为了得到合乎理性的性能，尚需要进行适当的热处理。常见的渗碳后的热处理有以下几种。1）直接淬火：在工件渗碳后，预冷到一定温度，然后立即进行淬火冷却。这种方法一般适用于气体渗碳或液体渗碳。2）一次加热淬火：渗碳后缓冷，再次加热淬火。3）两次淬火：在渗碳缓冷后进行再次加热淬火。第一次淬火温度在Ac3以上，第二次淬火加热温度选择在高于渗碳层成分的Ac1点温度（780～820度）。不论采用哪种淬火方法，渗碳件的最终淬火后要经180～220度的低温回火。2021/7/222021/7/222硼铝共渗。当钢中含有微量的(0·001%～0·005%)硼时,钢的淬透性可以成倍的提高,铝能细化钢的晶粒组织,阻抑低碳钢的时效,提高钢在低温下的韧性,还能提高钢的抗氧化性及钢的耐磨性和疲劳强度等,在高含量的水溶液中,铝对铁起电化学保护作用,而铝经表面处理后可生成一层致密、坚硬的氧化铝膜,耐磨耐腐蚀,既具有阴极性镀层的耐磨性,又具有阳极性电化学保护层性能。2021/7/22电镀是一种电离子沉积过程,利用电极通过电流,使金属附着在物体表面上,以形成均匀、致密、结合力良好的金属层的过程。电镀的一般作用:防腐蚀;防护装饰;抗磨损;提供导电或绝缘性能的镀层。电镀在液压支架的生产和修复中应用得比较多。3.2电镀2021/7/22当直流电通过两电极及两极间含金属离子的电解液时，金属离子在阴极上还原沉积成镀层，而阳极氧化将金属转移为离子。如图所示，在硫酸铜溶液中插入两个铜板，并与直流电源相接，当施加一定电压时，两极就发生电化学反应。Cu2+(溶液内部)→Cu2+（阴极表面）Cu2+（阴极表面）+2e-→Cu(金属)电镀的基本过程2021/7/221)低温镀铁。用不对称交流-直流电在较低温度下进行的(4°即可开始镀)镀铁工艺。产生的镀层均匀,表面平滑,结合强度高,镀层硬度可达HRC63-65,使其耐磨性好。2)镀锌。锌的化学活泼性比铁高,发生电化学腐蚀时,先腐蚀的是锌而不是铁,就是镀层有缺陷或裂纹,锌的电化效应也能防止钢铁基体锈蚀。锌的氧化物又比较致密,可以阻止进一步的氧化。镀锌后工件有比较好的防腐性能。但表面质量不好看,硬度低。2021/7/223)镀铜。铜镀层主要用于钢铁件多层镀覆时的底层,也常作为镀锡、镀金和镀银时的底层,可以提高基体金属与表面镀层的结合力,同时也有利于表面镀层的沉积。当铜镀层无孔时,可提高表面镀层的抗蚀性。4)镀铬。表面硬度高、质量好,能防锈。但一旦镀铬层出现缺陷或裂纹,由于电化效应,缺陷或裂纹处会加剧锈蚀。2021/7/225)镀镍。金属镍具有很强的钝化能力,可在制件表面