煤礦液壓支架立柱防腐蝕問(wèn)題研究

馮文濤

平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十一礦 河南 平頂山 467000

引言

中國(guó)是煤炭資源型國(guó)家，是世界第一產(chǎn)煤大國(guó)。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的最新數(shù)據(jù)顯示2019年我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭所占比重為59%，較上年下降約1.3個(gè)百分點(diǎn)，天然氣、水電、核電、風(fēng)電等清潔能源所占比重為22.2%較上年上升1個(gè)百分點(diǎn)。可以看出，雖然國(guó)家正在大力發(fā)展新能源，不斷優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，但煤炭資源的開發(fā)利用仍在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占著舉足輕重的地位。而液壓支架作為綜合機(jī)械化采煤的重要設(shè)備之一起著關(guān)鍵作用，其可靠性與壽命直接影響煤礦井下工作面的支護(hù)質(zhì)量1[1]。由于井下環(huán)境復(fù)雜惡劣，支架長(zhǎng)期工作就容易被腐蝕，而作為液壓支架的關(guān)鍵承載部件的立柱一旦出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，不僅會(huì)嚴(yán)重威脅礦井工作人員的生命安全，還會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。研究立柱在煤礦井下的腐蝕特性，對(duì)于提高材料機(jī)械性能，制造高強(qiáng)度工業(yè)設(shè)備具有極為重要的意義

1 腐蝕原因及特點(diǎn)分析

1.1 腐蝕環(huán)境

我國(guó)煤礦通常為地下開采，采煤工作面和巷道內(nèi)相對(duì)濕度大，通常在75%左右，井下存在大量的腐蝕介質(zhì)，水質(zhì)成分復(fù)雜，pH值變化大，一般礦井水質(zhì)pH值為7～9，部分礦井pH值為5～7，個(gè)別情況甚至為pH值為2～3，使得服役于礦井的鋼結(jié)構(gòu)件腐蝕嚴(yán)重，一般腐蝕速0.17mm/a，最大可達(dá)0.5mm/a。另外井水中的氯離子起著去極化作用，也加速了液壓支架立柱的腐蝕。

1.2 腐蝕形式

立柱腐蝕從形態(tài)上看有兩大類：一是鉻層表面的局部出現(xiàn)腐蝕坑以及大小不等的“鼓泡”，有的蝕坑已連接成片，造成較大面積鉻層脫落。用放大鏡觀察鼓泡，會(huì)發(fā)現(xiàn)有許多“泡蓋”上都有明顯的針孔或裂紋，有的甚至用肉眼即可看到有明顯的龜裂現(xiàn)象，有的鼓泡已破裂，其下鋼鐵基體已被腐蝕，產(chǎn)生大量的黑色銹層；二是厚度約1mm的鍍鐵層大片脫落，這些被腐蝕的部位主要是活柱暴露于液壓缸之外的1/3～2/3處。

1.3 腐蝕機(jī)理

任何金屬材料在實(shí)際的使用過(guò)程中都會(huì)與周圍環(huán)境的介質(zhì)進(jìn)行相互的作用，導(dǎo)致化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)生，使其自身的性能降低，甚至是喪失，這就是腐蝕現(xiàn)象。液壓支架立柱發(fā)生的腐蝕屬于典型的電化學(xué)腐蝕，由于Cu層與Ni鍍層等對(duì)于鋼鐵的基體都是陰極性的鍍層，而防腐機(jī)制則是將鋼鐵基體與相應(yīng)的溶液介質(zhì)進(jìn)行物理性的隔離[2]。所以，在鍍層出現(xiàn)縫隙或者破壞的情況下，腐蝕介質(zhì)就會(huì)利用縫隙進(jìn)入鋼鐵基體表面。而鋼鐵基體就被作為陽(yáng)極進(jìn)行腐蝕，且腐蝕的速度要快于未鍍層的基體腐蝕速度。所以，只有在金屬材料鍍層保持完整的情況下才能夠有效的保證金屬的質(zhì)量。鍍鉻層容易被氧化，容易在金屬表面形成鈍化膜，所以具有一定的耐腐蝕性能，但是，在含氯離子的溶液中就會(huì)影響其耐腐蝕性能。因此，礦用液壓支架在使用過(guò)程中發(fā)生的腐蝕是由腐蝕介質(zhì)通過(guò)鍍層的縫隙，缺陷等處到達(dá)基體金屬而導(dǎo)致的。

2 目前立柱防腐蝕技術(shù)的應(yīng)用

2.1 電鍍

電鍍是利用電流使金屬附著在物體表面上，形成均勻、耐蝕、結(jié)合力良好的致密金屬層的過(guò)程。國(guó)內(nèi)采用最多的是錫青銅打底再鍍硬鉻的復(fù)合鍍層。該鍍層具有顯微硬度高、耐磨性好等特點(diǎn)，可起到機(jī)械保護(hù)作用，但對(duì)環(huán)境污染較大，尤其是重金屬污染，且對(duì)微裂紋或孔隙極為敏感，在使用過(guò)程中，立柱一旦發(fā)生穿透鍍層的孔隙，就會(huì)出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕，造成鍍鉻層鼓泡、起皮和脫落，以致密封圈劃傷、失效[3]。鍍鉻層失效后，只能采取褪鍍方式重新電鍍，如果基體損傷過(guò)重，就只能報(bào)廢重新更換立柱。

2.2 化學(xué)鍍

化學(xué)鍍是依靠溶液中的化學(xué)反應(yīng)，在溶液中添加還原劑，經(jīng)自催化電化學(xué)反應(yīng)而沉積出合金鍍層的技術(shù)，又稱無(wú)電解鍍。與電鍍相比，化學(xué)鍍是依靠基材的自催化性施鍍，不需直流電源設(shè)備，結(jié)合性能一般優(yōu)于電鍍，對(duì)環(huán)境污染少，鍍層有光亮或半光亮外觀，晶粒細(xì)小致密，孔隙率低，適用于形狀復(fù)雜的工件。目前在液壓支架的生產(chǎn)和修復(fù)中主要包括化學(xué)鍍鎳、錫磷處理和磷化處理。

2.3 等離子噴涂

等離子噴涂是用惰性氣體加入少量的H2作為保護(hù)氣體，采用由直流電驅(qū)動(dòng)的等離子弧作為熱源來(lái)加熱熔化噴涂粉末，然后高速噴涂在基體表面形成附著牢固的表面涂層的過(guò)程[4]。對(duì)于液壓支架立柱，可選擇具有高硬度、低摩擦因數(shù)及良好紅硬性的氧化物類陶瓷涂層或碳化物類金屬陶瓷涂層，其耐磨性和耐蝕性優(yōu)于鍍硬鉻，而且沉積效率高，環(huán)境污染小，可取代鍍硬鉻。

等離子噴涂具有以下特點(diǎn)：

（1）基體材料不受限制，可在各種基材上噴涂；

（2）可噴涂的涂層材料極為廣泛，理論上可以噴涂所有具有物理熔點(diǎn)的材料；

（3）噴涂過(guò)程中基體表面受熱程度小，易于控制且對(duì)基體組織影響較??；

（4）所得涂層表面平整光滑，涂層較致密，孔隙率低，且結(jié)合強(qiáng)度高；

2.4 等離子熔覆技術(shù)

等離子熔覆技術(shù)是利用等離子體與其他材料碰撞產(chǎn)生的能量來(lái)發(fā)生一系列理化學(xué)反應(yīng)，從而在金屬表面獲得良好的耐蝕、耐磨、耐熱等性能的材料表面改性技術(shù)。等離子熔覆不易產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷，具有成本低、效率高、操作方便等特點(diǎn)，在大面積，大厚度，熔覆方面有明顯優(yōu)勢(shì)。

2.5 激光熔覆技術(shù)

激光熔覆技術(shù)是用激光束將基體表面金屬和熔覆材料同時(shí)熔化，快速凝固后形成與基體材料成冶金結(jié)合的表面熔覆合金層。由于激光熔覆過(guò)程中能量高，熱量集中，因此得到的熔覆合金層比等離子熔覆層更加致密均勻，耐腐蝕性更高。但激光熔覆設(shè)備投資成本及后期的維護(hù)成本較等離子熔覆要高得多。與等離子噴涂、化學(xué)鍍和電鍍相比，激光熔覆具有對(duì)基材影響較小，工件不易變形、涂層與基體結(jié)合好等特點(diǎn)，是目前比較環(huán)保又具有較大經(jīng)濟(jì)效益的一項(xiàng)新技術(shù)。但是在工藝方面受到許多限制，實(shí)際生產(chǎn)中更需要高的操作技能，在國(guó)內(nèi)尚未完全實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

3 結(jié)束語(yǔ)

煤礦井下惡劣的環(huán)境決定了液壓支架立柱防腐蝕的復(fù)雜性，因此，針對(duì)不同煤礦的狀況要做到具體問(wèn)題具體分析，合理采用相應(yīng)的防腐蝕手段。就目前市場(chǎng)狀況來(lái)看，等離子熔覆技術(shù)的發(fā)展較為成熟，應(yīng)用比較廣泛。激光熔覆技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益則更為顯著，更加綠色環(huán)保。黨的十九大報(bào)告就提出，要建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系，構(gòu)建市場(chǎng)導(dǎo)向的綠色技術(shù)創(chuàng)新體系，推進(jìn)資源全面節(jié)約和循環(huán)利用。因此，激光熔覆技術(shù)在未來(lái)具有更大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。