煤矿机械应用研究论文

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一、石墨的物理-力学性能

石墨具备较好的热稳定性、润滑性以及耐磨性，处于常温环境下的石墨一般不受到强碱、强酸或者有机溶剂的侵蚀，因而在现代工业生产中石墨经常会充当固体自润滑材料。石墨在不断的摩擦中会有大量的石墨粒子从其中剥离，包括一些炭块材料中的不纯物以及尘埃，都能够对摩擦表面形成一种较为特殊的碳素薄膜，如果石墨继续摩擦时这些薄膜就会对其上面分布的大量石墨微观孔穴进行自动填充，外物对磨面的直接接触会被薄膜所阻隔，从而可以有效减轻基体的磨损，耐磨性获得了大幅度提高。摩擦时，石墨微晶也会黏附金属材质，因而对磨时金属因为黏着作用会将石墨微粒牢牢地吸附到金属氧化物中，实质上也是在对磨表面形成1种特殊的养护薄膜，从而有效减轻试样的磨损。需要注意的是，石墨润滑材料中含有大量固体润滑剂，如果这种润滑剂能够持续得以补充，使得固体润滑膜具有较好的连续性以及完整性，那么就会获得较好的润滑以及自我修复。在铸铁环境下，除了上述因素外，石墨润滑能力所受的的影响还来自于金属基体，如果选择的金属基体本身就具有较高的硬度，那么摩擦面亚表面金属塑性变形区就会迅速减小，从而石墨的挤出功能受到阻碍，进一步造成石墨成膜能力的降低。因而在煤矿机械的实际生产中，选择金属基体时应尽量选用硬度比较低的，非常典型的是较软的铁素体基体，该金属基体在多种行业中应用都较为广泛。

二、煤矿机械生产中石墨/铁基耐磨复合材料的应用

（1）石墨/铁基耐磨复合材料的制备方法

粉末烧结是一种较为常见的石墨/铁基耐磨复合材料制备方法，主要涵盖了混合、粉末轧制、烧结，对基体的热处理以及加工等几个步骤。铸铁熔点和石墨相比要低很多，通常较为适宜的烧结工艺应为液相烧结，具体装置可以分为几种：①中频感应加热，这种烧结方式在感应加热时温度会在短时期内获得大幅度快速提高，但需要注意的是此时受热并不均匀，会出现外部铁屑熔合时，心部仍然不能熔化。若继续加热，由于石墨比重较小，在铁屑熔化成液态时就会上浮，从而导致石墨的不均匀，效果不理想。②高温炉中加热和真空炉加热是较为有效的2种方法，前者机构简单、体积紧凑、炉温均匀，和中频感应相比温度更容易精确控制，热效率也较高，并能够实现压块的1175℃烧结和保温。真空炉加热将真空作为制备过程中的保护器，避免工件处于高温下导致的氧化脱碳反应，最大限度地提高工件热处理表面的质量，确保工件质量的合格。

（2）试样材料成分

试样材料成分所选用的材料是灰铸铁（HT200）铁屑纯净的200目石墨粉，选择石墨质量比例1%、2%、3%、4%进行混合，混合完成后通过100t摩擦压力机挤压成形，接着将其置入中频感应烧结装置进行烧结，完成后将其取出自然冷却。然后采用HB-3000型布氏硬度计对获得材料的硬度进行测试，选用ML-10磨粒磨损试验机对材料的耐磨性进行测试。

（3）结果分析

①金相实验结果分析图1为4个试样的金相图像，灰铸铁的基体全部都是石墨和铁素体。图1中白色区域和黑色区域分别为铁素体组织、石墨。其中，石墨形状全部是A型。测试后发现2%试样金相照片中的石墨长度等级可以判定成4级，具有明显的短小、粒状石墨较多的特征，同时片状石墨较圆钝。对其他试样进行检测，其石墨长度都是3级，相对较长，同时1%石墨中，呈现出明显的石墨片断部尖锐的特征，而且在3%~4%的试样中表现为明显的粗大，伴有集结成果的现象。石墨的硬度均较低，为HB3，抗拉强度＜20MPa，其延伸率则趋近于0。从其特性来说，石墨类似于金属基体中的孔洞和裂缝，不仅能够降低基体的强度，还能够导致应力集中。如果对于石墨的形状进行适当改变就能够减轻石墨的负面影响，且长片状石墨的尖锐程度和其他短片状石墨要明显增大，应当选择钝片状的石墨，因为这种石墨不易对基体造成破坏，从这个角度来说，颗粒状的石墨则更加有利。从金相照片可以看出2%试样磨损量最小，组织最为合理。图1不同含量石墨金相组织（退火）图②硬度试验结果及分析图2为试样的硬度曲线。从中观测到退火后试样硬度较退火前相比呈现出降低的趋势，而且随着石墨含量的不断增加，布氏硬度却明显减少，由于压块在烧结空冷时基体自动形成了大量具有高硬度的珠光体组织，通常来说其硬度值可以达到HB250，因而如果利用石墨化退火，可以使珠光体中的渗碳体得以分解，分解出的成分为铁素体加石墨。石墨含量越高，那么试样的硬度就会越小。③磨损实验结果分析实验显示，试样的耐磨性出现明显的先减后增变化，其中以2%试样的磨损量为最小。1%石墨试样硬度和其他试样相比明显较高，通常在摩擦时不容易形成连续的润滑膜，因而会直接导致基体磨损量的增大，而2%试样中由于石墨含量多加上形状比较细小和均匀，因而很容易形成比较均匀和连续的固体润滑薄膜，因而一般会具有较好的耐磨性能。在3%~4%的试样中，由于其中蕴含的石墨含量过高，从而造成石墨片逐渐呈现出粗大状态，割裂也相应增大，因而在摩擦时容易出现较多的剥落现象，使得基体的磨损量开始增大，利用它来制作衬套时具有明显的耐磨性过低现象，使用寿命较短。

（4）在煤矿机械生产中应用实例

实际生产中，煤矿竖井罐笼通常作为煤矿主要提升运输设备。罐笼在运行时，一般速度会比较快，能够达到10m/s，在短时期内会散发出非常多的热量，造成衬套固定在罐笼和导向钢丝绳出现相对滑动，而衬套和钢丝绳会形成多种类型的磨损，常见的有黏着磨损、磨粒磨损以及氧化等，而煤矿机械中的钢丝绳所需要的成本较高，其安全性对生产的顺利进行也起着关键作用，所以罐笼运行时必须最大限度地降低对钢丝绳造成的磨损。依照摩擦原理，为达到这一目的，导向衬套硬度应较低，并且耐磨，具有较好的自润滑能力。钢丝绳和衬套如果硬度配比较为合理时，通常就不会对钢丝绳造成磨损，如果在其中加入石墨这样具有自润滑功能的材料，给基体和钢丝绳提供一种更为可靠的保护。使用较软的石墨/铁基耐磨复合材料，可以保证衬套较高的稳定性和耐磨性，若软度配置合理，除了能够满足磨损机理的要求外，重要的是能够改变衬套寿命短的缺陷，省去了频繁更换的麻烦。同时，石墨/铁基耐磨复合材料除了应用在竖井罐笼中外，在煤矿机械生产中的其他易损、容易老化、寿命较短的金属零部件，比如轴承、套筒以及活塞等均可使用。

三、结语

综上所述，石墨的粒度、添加量等对于石墨/铁基耐磨复合材料的性能均会造成不同程度的影响，因而在煤矿机械生产中应用时除了需要选择合适的制备方法外，还需要注意金属硬度的适宜和配比的合理，从而充分发挥复合材料的耐磨性，有效改善煤矿机械生产中金属零部件易磨损、易老化、寿命短的问题，促进煤矿机械生产的发展。

作者：陈贵清陈小刚单位：重庆三峡职业学院