煤機設備不銹鋼表面處理與耐磨性能研究

王 慧,唐傳斌

(1.淮南職業(yè)技術學院 機電工程學院,安徽 淮南,232001；2.淮河能源集團煤業(yè)公司，安徽 淮南 232095)

0 引言

我國作為煤炭生產(chǎn)大國,近年來在煤炭開采上取得了長足進步,這不僅取決于煤炭開發(fā)技術的進步,也得益于煤機設備性能的提高和使用壽命的延長,相應地,設備故障率明顯降低,工作效率提高[1]。然而隨著煤炭開發(fā)深度的提高和工作強度的增加,用于煤機設備的不銹鋼的使用性能也在傳統(tǒng)的要求耐腐蝕等特性基礎上,增加了具有良好耐磨性能的要求[2]。傳統(tǒng)的微合金化和熱加工等手段雖然能夠在一定程度上提高煤機設備不銹鋼表面的耐磨性,但是,由于需要添加合金元素以及工藝復雜等原因[3],實際應用推廣前景較差。較為可行的方法是在不銹鋼表面制備具有減摩潤滑作用的轉(zhuǎn)化膜,而目前的研究方向大多在化學改性液的成分配比上[4-5],對于發(fā)黑處理時間等參數(shù)對轉(zhuǎn)化膜形貌和耐磨性能的影響方面研究較少[6]。本文以煤機設備中不銹鋼為研究對象,采用磷化和發(fā)黑處理的方法,在煤機設備不銹鋼表面制備了起減磨潤滑作用的轉(zhuǎn)化膜,有助于提高不銹鋼的耐磨性能,并延長其使用壽命。

1 材料與方法

1.1 實驗原料

實驗材料為煤機設備用不銹鋼,化學成分用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測得,元素含量為(質(zhì)量分數(shù),%):0.38 C,0.67 Si,0.58 Mn,16.20 Cr,1.68 Mo,0.97 V,0.16 N,余量為Fe。

表面膜層制備所需化學試劑包括:分析純硫酸、分析純鉻酐、分析純磷酸、分析純硝酸銨、分析純硫酸錳、分析純硅酸鈉、分析純乙醇。

1.2 試樣制備

采用線切割的方法,將不銹鋼原料加工成Φ30 mm×5 mm,表面采用200～1500 #砂紙打磨、金剛石研磨膏拋光、清水沖洗、超聲堿洗(18 g/L NaOH+3 mL/L OP-10溶液)、酸洗(100 g/L 硫酸銨+88 g/L 硫酸溶液);電解磷化處理(磷化溶液:8 g/L ZnO+4 g/L NaH2PO4+4 mL/L HNO3+12 mL/L H3PO4+6 g/L檸檬酸+3 g/L酒石酸,溫度:室溫,電壓:4 V,磷化時間:25 min);發(fā)黑處理(225 mL/L H2SO4+55 g/L CrO3+35 mL/L H3PO4+35 g/L NH4NO3+35 g/L MnSO4,發(fā)黑時間為20～60 min，溫度為85 ℃),清水沖洗后吹干備用。

1.3 測試方法

采用Quanta 200 F型掃描電子顯微鏡觀察顯微形貌,并用附帶能譜分析儀測試不同位置的微區(qū)成分;物相分析用德國D8-ADVANCE型X射線衍射分析儀進行，步長0.05°;納米硬度采用Nano Indenter XP 納米壓痕硬度計進行;采用CETR-T型球盤式摩擦磨損試驗機進行室溫干摩擦磨損試驗,對磨球為M50鋼球、轉(zhuǎn)速為250 r/min、載荷3 N、摩擦時間為180 s。

2 試驗結(jié)果與分析

圖1為不同發(fā)黑處理時間下不銹鋼的表面形貌?？梢?經(jīng)過不同時間發(fā)黑處理后,不銹鋼表面都可見尺寸不等的第2相,局部第2相由于脫落而產(chǎn)生了微孔(如圖1(b));當發(fā)黑時間為20 min,30 min和40 min時,不銹鋼表面可見清晰的晶界,且晶粒較為細小;當發(fā)黑時間為50 min和60 min時,由于發(fā)黑時間較長,晶界處已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化,厚度襯度明顯增加,這主要與此時發(fā)黑膜較厚有關,因為在發(fā)黑處理過程中,Fe元素會依附在氧化物表面,而晶界處和晶內(nèi)的Fe濃度和沉積速率不同,且晶內(nèi)發(fā)黑膜沉積速率相對較快,因此晶內(nèi)發(fā)黑膜相對較厚,造成晶內(nèi)和晶界處的襯度差異[7]。

圖1 不同發(fā)黑處理時間下不銹鋼的表面形貌Fig.1 Surface morphology of stainless steel under different blackening treatment time

表1為圖1不同位置處的能譜分析結(jié)果,分別列出了圖1(a)(發(fā)黑時間為20 min)的位置A和位置B以及圖1(d)(發(fā)黑時間為50 min)的位置A和位置B的能譜分析結(jié)果。當發(fā)黑時間為20 min時,位置A處含有較高含量的Cr,Mo和V元素,表面發(fā)黑處理后,表面的第2相可能為(Cr,Mo,V)C碳化物,而位置B處含有較高含量的O元素,為基體受到氧化所致。當發(fā)黑時間為50 min時,位置A處也含有較高含量的Cr,Mo和 V元素,表面發(fā)黑處理后,表面的第2相可能為(Cr,Mo,V)C碳化物[8],而位置B處含有較高含量的O元素,為基體受到氧化所致。因此,無論是發(fā)黑時間為20 min還是50 min,不銹鋼表面都存在尺寸不等的碳化物第2相。

表1 圖1不同位置處的能譜分析結(jié)果Tab.1 Energy spectrum analysis results at different positions in Fig.1

圖2 不同發(fā)黑處理時間下不銹鋼的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of stainless steel under different blackening treatment time

圖2為不同發(fā)黑處理時間下不銹鋼的XRD圖譜?？梢?當發(fā)黑處理時間為20 min和30 min時,不銹鋼表面都可見Fe,MnO2,FeO,(FeO) 0.798 (MnO) 0.202和(FeO) 0.664 (MnO) 0.338;當發(fā)黑時間延長至40 min和50 min時,不銹鋼表面發(fā)黑膜的物相組成并未發(fā)生明顯改變,仍然由Mn和Fe的氧化物組成,繼續(xù)延長發(fā)黑時間至60 min,不銹鋼表面發(fā)黑膜的物相組成仍然與發(fā)黑時間為20 min時相同,只是不同物相的衍射峰強度存在差異,這主要與發(fā)黑時間不同造成的發(fā)黑膜的厚度和氧化程度不同所致[9]。

表2為不同發(fā)黑處理時間下不銹鋼的納米硬度和彈性模量。當發(fā)黑時間為20 min時,不銹鋼表面的納米硬度和彈性模量分別為8.54 GPa和285.8 GPa;當發(fā)黑時間延長至 30 min,不銹鋼表面的納米硬度和彈性模量分別為6.91 GPa和240.3 GPa,硬度和彈性模量都有所降低;繼續(xù)增加發(fā)黑時間至40 min,不銹鋼表面的納米硬度和彈性模量分別為6.88 GPa和 233.3 GPa;當發(fā)黑時間為50 min時,不銹鋼表面的納米硬度和彈性模量分別為3.61 GPa和 182.3 GPa,納米硬度和彈性模量有明顯降低;繼續(xù)延長發(fā)黑時間至60 min,不銹鋼的納米硬度降低至3.41 GPa,彈性模量為194.4 GPa。整體而言,發(fā)黑處理時間越長,不銹鋼的納米硬度和彈性模量越小,這主要與發(fā)黑時間越長則表面發(fā)黑膜厚度越大有關[10],而發(fā)黑膜的硬度低于不銹鋼基體。

表2 不同發(fā)黑處理時間下不銹鋼的納米硬度和彈性模量Tab.2 Nano hardness and elastic modulus of stainless steel under different blackening treatment time

圖3 不同發(fā)黑處理時間下不銹鋼的摩擦因數(shù)-時間曲線Fig.3 Friction coefficient-time curve of stainless steel under different blackening treatment time

圖3為不同發(fā)黑處理時間下不銹鋼的摩擦因數(shù)-時間曲線。當發(fā)黑處理時間為20 min,30 min,40 min和60 min時,不銹鋼的摩擦因數(shù)在時間為780 s左右時趨于穩(wěn)定,摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.58～0.68之間;當發(fā)黑處理時間為50 min時,摩擦因數(shù)會隨著時間的延長而逐漸增大,在時間為1 800 s時仍然沒有趨于穩(wěn)定,且在相同摩擦時間下,發(fā)黑時間為50 min的試樣的摩擦因數(shù)都表現(xiàn)為最小。此外,在摩擦開始階段,發(fā)黑時間為30 min的試樣摩擦因數(shù)波動幅度較大,這主要與此時涂層表面粗糙度較大以及局部有第2相脫落有關[11-12]。

圖4為不同發(fā)黑處理時間下不銹鋼的摩擦磨損形貌。當發(fā)黑時間為20 min時,不銹鋼表面磨痕寬度約為603.0 μm;當發(fā)黑時間為30 min時,不銹鋼表面磨痕寬度約為589.9 μm;當發(fā)黑時間為40 min時,不銹鋼表面磨痕寬度約為486.0 μm;當發(fā)黑時間為50 min時,不銹鋼表面磨痕寬度約為353.0 μm;當發(fā)黑時間為60 min時,不銹鋼表面磨痕寬度約為 484.3 μm?？梢?隨著發(fā)黑處理時間從20 min延長至60 min,不銹鋼表面劃痕寬度先減小后增大,當發(fā)黑時間為50 min時,不銹鋼表面劃痕寬度最小。

圖5為發(fā)黑時間為50 min時的摩擦磨損形貌,其中,位置A在磨痕中,位置B在基體中。表3列出了兩個位置處的能譜分析結(jié)果。摩擦磨損形貌中可見,磨痕中有許多白色的小顆粒,邊緣處可見磨痕引起的微裂紋,隨著摩擦磨損時間的延長,這些微裂紋會逐漸擴展并增加磨痕寬度。能譜分析結(jié)果表明,磨痕中的位置A處主要含有O,Cr和Mo等元素,位置B處主要含有O和Cr元素,其中,位置A處的O是由于氧化磨損所致,且磨削中含有較高含量的Cr和Mo元素,這是摩擦磨損過程中的碳化物脫落所致,而位置B處的O元素主要是在發(fā)黑處理過程中形成的發(fā)黑膜。這也就說明不銹鋼在發(fā)黑處理后,表面膜層在摩擦磨損過程中可以起到一定的抵抗磨損的作用[13-14],且磨損過程中碳化物會優(yōu)先脫落。

發(fā)黑時間為(a)20 min,(b)30 min,(c)40 min,(d)50 min,(e)60 min

圖5 發(fā)黑時間為50 min時的摩擦磨損形貌Fig.5 Friction and wear morphology when blackening time is 50min

表3 圖5不同位置處的能譜分析結(jié)果Tab.3 Energy spectrum analysis results at different positions in Fig.5

3 結(jié)論

1)當發(fā)黑時間為20 min,30 min和40 min時,不銹鋼表面可見清晰的晶界,且晶粒較為細小;當發(fā)黑時間為50 min和60 min時,由于發(fā)黑時間較長,晶界處已經(jīng)發(fā)生了明顯變化,可見厚度襯度明顯增加。

2)當發(fā)黑處理時間為20～60 min時,不銹鋼表面物相都主要由Fe,MnO2,FeO,(FeO) 0.798 (MnO) 0.202和(FeO)0.664 (MnO) 0.338組成,只是不同發(fā)黑時間處理后物相的衍射峰強度存在差異。

3)當發(fā)黑時間為20 min時,不銹鋼表面的納米硬度和彈性模量分別為8.54 GPa和 285.8 GPa;隨著發(fā)黑處理時間延長,不銹鋼表面納米硬度和彈性模量不斷減小;發(fā)黑處理時間為50 min時,摩擦因數(shù)會隨著時間的延長而逐漸增大,摩擦因數(shù)在時間為1 800 s時仍然沒有趨于穩(wěn)定,且在相同摩擦時間下,發(fā)黑時間為50 min的試樣摩擦因數(shù)最小、磨痕寬度約為 353.0 μm,具有相對較好的耐磨性能。