新型耐磨钢ANM450在煤矿矿井水环境下的腐蚀磨损行为*

杨 鹏 胡 纯 陈华辉 马 峰 滕 子

(中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院 北京 100083)

刮板输送机作为现代煤矿综采技术中重要的大型运输机械，是煤矿集约化、机械化采煤的关键，承担着快速运输、高效运输、安全运输的重要职责[1-2]。刮板输送机的输运能力及效率对于煤炭开采起着决定性作用，由于刮板输送机作业时，中部槽最容易受到腐蚀磨损破坏，其使用寿命很大程度上也由中部槽的腐蚀磨损情况决定，因此，必须加大对中板材料腐蚀磨损的研究投入和研究力度。

综上所述，刮板输送机中板材料失效及材料改进研究主要集中在中板材料的磨损方面，对于腐蚀磨损研究较少。但由于煤矿井下的相对湿度最高可达95%以上，刮板运输机长期处于潮湿环境中，甚至有部分刮板运输机将会半浸泡于矿井水中工作[13-14]，这会造成严重的腐蚀磨损。因此，必须加大对刮板输送机中板腐蚀磨损方面的研究，特别是酸碱、高矿化度等苛刻工况环境下的耐腐蚀磨损性能的研究。本文作者以新型含Ti低合金耐磨钢ANM450为研究对象，着重研究了ANM450的组织、相结构、硬度以及在不同煤矿矿井水环境下的腐蚀磨损性能及机制，目的是对今后新型耐磨钢的研发提供指导和参考。

1 实验方法

1.1 实验材料

前期研究表明，冶炼过程中对低合金钢添加适量的Ti，轧制过程中可发生原位反应生成TiC颗粒，在不降低其硬度的前提下可以有效地提高低合金钢的耐磨性[15-17]。随着Ti含量的增加，TiC颗粒含量增加，钢的耐磨性得到有效提高。文中采用含Ti量为0.49%(质量分数)的新型耐磨钢ANM450作为研究材料，对比材料为国内外常用的低合金马氏体耐磨钢Hardox450，2种钢化学成分见表1。新型耐磨钢ANM450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—二次轧制(880 ℃)—终轧(820 ℃)—返红(300 ℃)—加热(1 200 ℃)—回火(200 ℃空冷)—成品板[18-19]。

表1 耐磨钢的化学成分 单位：%

利用扫描电镜ZEISS Gemini 300观察ANM450及Hardox450的显微组织和腐蚀磨损形貌，观察ANM450组织中TiC颗粒的形状及分布；使用X射线衍射仪PANalytical AERIS分析新型耐磨钢板ANM450的相结构；采用HBRVU-187.5型布洛维光学硬度计测试钢的洛氏硬度HRC。

1.2 模拟矿井水制备

为了模拟矿井下工况环境，研究新型耐磨钢ANM450在不同苛刻工况下的腐蚀磨损性能与机制，首先查阅了4台煤矿酸性矿井水水质[20]、宁煤集团所属四大煤矿高矿化度矿井水水质[21]和辽宁阜新矿区碱性矿井水的化学组成[22]，并模拟配制出偏酸性、高矿化度、偏碱性3种类型矿井水，同时以去离子水作为对比(以下简称为4种模拟矿井水)，具体组成和含量见表2。在这4种模拟矿井水中进行湿砂磨料磨损试验。

表2 4种模拟煤矿矿井水化学组成

1.3 湿砂磨料磨损试验

采用MLS-23型湿砂橡胶轮式磨损试验机进行腐蚀磨损试验，试验机示意图见图1。磨损试样尺寸为57 mm×25.5 mm×6 mm，橡胶轮直径为178 mm，橡胶轮硬度为70邵尔硬度。砂浆为40～70目石英砂+4种模拟矿井水，混合质量比为1∶1.5。湿砂磨损试验严格按照ASTM-G65试验标准进行[23]，选择40、100、140 N 3种载荷，橡胶轮转速为200 r/min。为了减少误差，每组实验采取3个平行试样，采用失重法测量每个试样的磨损量，电子天平精度为0.000 1 g。

图1 湿砂磨损试验机工作示意

考虑到刮板输送机在煤矿井下工作状态以及维修等情况，为了更好地探究中板材料腐蚀与磨损交互作用机制，采用连续磨损和间歇磨损2种方式进行实验，磨损总时长为20 min。实验流程如下：

连续磨损：预磨1 min→清洗称重→磨损10 min→清洗称重→磨损10 min→清洗称重

间歇磨损：预磨1 min→清洗称重→磨损10 min→清洗称重→浸泡48 h→除锈→清洗称重→磨损10 min→清洗称重

2 实验结果与分析

2.1 新型耐磨钢的显微组织及硬度

图2(a)、(b)示出了ANM450的显微组织，图2(c)、(d)示出了Hardox450的显微组织。可知，2种钢显微组织都以板条马氏体为主，ANM450组织中马氏体细小，基体中弥散分布有深灰色形状不规则的微米颗粒，颗粒尺寸为1～10 μm。

图2 ANM450和Hardox450的显微组织

图3示出了颗粒聚集区的EDS能谱分析结果，可看出颗粒为Ti和C富集区。Ti是典型的强碳化物形成元素，在冶炼过程中钢液中的C充足，在合适的条件下就可以生成形状不规则、大小不一的黑色TiC颗粒。

图3 新型耐磨钢ANM450中Ti和C元素面分布

由此可知，新型耐磨钢ANM450马氏体晶粒变细小主要是因为TiC颗粒的存在。ANM450钢中原奥氏体晶粒尺寸为5～7 μm，在生长过程中，TiC颗粒阻碍了奥氏体晶界生长，在晶界处形成钉扎效应，细化了奥氏体晶粒。同时，Ti与C反应生成TiC过程中不断消耗碳，原奥氏体中的碳含量不断减少，固溶度降低，使得碳对γ-Fe 点阵的结合力影响减弱，奥氏体晶粒长大变得困难[24]。

图4示出了ANM450和Hardox450的XRD分析结果。对比α-Fe标准衍射图谱，可知ANM450和Hardox450的相结构相同，都是α-Fe，但ANM450的XRD图谱中未发现明显的TiC衍射峰，主要是因为新型耐磨钢ANM450中的Ti含量较低，在进行X射线衍射测试过程中，当某相在其中的含量占比小于5%(质量分数)时，将不会出现波峰，所以ANM450衍射图谱中很难发现TiC的衍射峰。

图4 ANM450和Hardox450 XRD图谱

表3给出了2种耐磨钢的力学性能测试结果，HRC硬度测试条件为载荷1 471 N，保压时间为10 s。可知新型耐磨钢ANM450和Hardox450的洛氏硬度平均值相差不大，这主要是因为ANM450中原位生成的超硬TiC颗粒较少，颗粒尺寸也较小，同时分布也不均匀，所以对基体本身的硬度贡献并不大。

表3 耐磨钢的力学性能测试结果

2.2 新型耐磨钢的腐蚀磨料磨损性能

2.2.1 连续磨损

连续磨损条件下，2种耐磨钢的磨损量和相对耐磨性分别见图5和图6，这里的相对耐磨性是指相对于pH=7模拟矿井水砂浆中Hardox450的磨损量。可知，在4种砂浆中，ANM450的磨损量都小于Hardox450，说明新型耐磨钢ANM450的耐腐蚀磨损性能优于Hardox450，这主要是因为新型耐磨钢ANM450中TiC颗粒起到了提高耐磨损性能的作用(见2.4节)。4种模拟矿井水砂浆中2种耐磨钢的相对耐磨性ε表现为：在偏酸性和偏碱性环境中腐蚀磨损量最大，最容易造成腐蚀磨损失效，其次是高矿化度环境，在去离子水环境中最不容易腐蚀磨损。这主要是因为耐磨钢在pH=5、pH=9模拟矿井水砂浆中磨损时，耐磨钢受到酸碱侵蚀作用，腐蚀加速了磨损；在pH=8模拟矿井水砂浆中磨损时，主要是其中的Ca2+、Mg2+离子在耐磨钢表面加速形成锈垢导致相对耐磨性较差；而在pH=7模拟矿井水砂浆中，由于是去离子水，腐蚀作用减轻，耐磨钢的相对耐磨性最好。

图5 耐磨钢在4种模拟矿井水砂浆中的连续磨损失重

图6 连续磨损条件下2种耐磨钢在4种模拟矿井水砂浆中的相对耐磨性

3种载荷下2种耐磨钢的连续腐蚀磨损量比较如图7所示。可知，随着载荷的增大，2种钢的腐蚀磨料磨损量增加;在40～100 N载荷区间内，2种耐磨钢的腐蚀磨损量增加趋势较平缓，100～140 N载荷下，腐蚀磨损量上升趋势显著增大;在3种载荷下，新型耐磨钢ANM450的腐蚀磨损量都低于Hardox450，说明ANM450相比于Hardox450具有更优的耐腐蚀磨损性能。在4种模拟矿井水砂浆中，2种耐磨钢的腐蚀磨损量整体表现出：pH9>pH5>pH8>pH7，说明在酸、碱、高矿化度苛刻环境中造成的腐蚀磨损也较大。

图7 载荷对耐磨钢连续腐蚀磨料磨损的影响

2.2.2 间歇磨损

间歇磨损条件下，2种耐磨钢的磨损量如图8所示，相对耐磨性如图9所示，此处的相对耐磨性为相对于pH=7模拟矿井水砂浆中Hardox450的磨损量。间歇腐蚀磨料磨损相比连续腐蚀磨料磨损，增加了一个单独浸泡腐蚀48 h的过程，这个过程主要是模拟刮板输送机中板在停工维修或者轮休换班期间只受到周围环境的腐蚀，不遭受磨损。由图8可知，在3种载荷、4种模拟矿井水砂浆中，新型耐磨钢ANM450的磨损量都小于Hardox450，说明新型耐磨钢ANM450的耐腐蚀磨损性能好于对比钢Hardox450。由图9可知，4种模拟矿井水砂浆中，连续腐蚀磨损相对耐磨性要高于间歇腐蚀磨损相对耐磨性，说明在加入浸泡过程之后，2种耐磨钢的相对耐磨性变差，这说明浸泡腐蚀对于耐磨钢的耐腐蚀磨损性能会产生影响。随着载荷的升高，4种砂浆中新型耐磨钢ANM450和Hardox450的相对耐磨性都有所下降，这表明载荷越高，耐磨钢的相对耐磨性越低。耐磨钢在pH=5、pH=9模拟矿井水砂浆中磨损时，耐磨钢受到酸碱侵蚀作用加剧，腐蚀加速了磨损，在pH=8模拟矿井水砂浆中磨损时，主要是其中的Ca2+、Mg2+离子在耐磨钢表面加速形成锈垢导致相对耐磨性较差，而在pH=7模拟矿井水砂浆中，由于是去离子水，腐蚀作用减轻，耐磨钢的相对耐磨性最好。

图8 间歇条件下耐磨钢在4种模拟矿井水砂浆中的磨损量

图9 间歇条件下耐磨钢在4种模拟矿井水砂浆中的相对耐磨性

3种载荷下2种耐磨钢的间歇腐蚀磨损量比较如图10所示。

图10 载荷对耐磨钢间歇腐蚀磨料磨损的影响

由图10可知，随着载荷的增大，2种钢的腐蚀磨料磨损量增加;在40～140 N载荷区间内，2种耐磨钢的腐蚀磨损量增加趋势大致为线性增长;在3种载荷下，新型耐磨钢ANM450的腐蚀磨损量都低于Hardox450，说明ANM450相比于Hardox450具有更优的耐腐蚀磨损性能。在4种模拟矿井水砂浆中，2种耐磨钢的腐蚀磨损量整体表现出：pH9>pH5>pH8>pH7。

2.3 腐蚀对磨损的作用

耐磨钢板的腐蚀磨损不仅仅是单独腐蚀和单独磨损的简单叠加，而是机械作用和化学作用交互促进的结果，在腐蚀磨损过程中腐蚀和磨损都会对腐蚀磨损的结果产生很大的影响。腐蚀加速磨损，磨损促进腐蚀，两者交互作用，加速耐磨钢板的失效，文中着重讨论腐蚀对磨损的促进作用。根据式(1)可以计算2种耐磨钢在4种模拟矿井水中浸泡腐蚀48 h后腐蚀促进磨损率(X)：

(1)

式中：ΔW=WJ-WL，WJ为间歇磨损中产生的质量损失，WL为连续磨损中产生的质量损失。

2种钢在3种载荷、4种模拟矿井水砂浆中腐蚀促进磨损率如图11所示。

图11 2种钢在3种载荷、4种模拟矿井水中的腐蚀促进磨损率

由图11可知，2种钢经过腐蚀浸泡48 h后都对磨损产生了促进作用，其中载荷为100 N时，2种钢的腐蚀促进磨损率最大，140 N载荷次之，40 N载荷最小；不同种类模拟矿井水中，新型耐磨钢ANM450的腐蚀促进磨损率总体上大于Hardox450。2种耐磨钢在3种载荷下的腐蚀促进磨损率呈现倒V字形，其中100 N载荷下2种耐磨钢的腐蚀促进磨损率都最大，这说明了腐蚀促进磨损率存在一个最大值。

新型耐磨钢ANM450在4种模拟矿井水砂浆中的腐蚀促进磨损率都大于Hardox450，这说明了相同情况下新型耐磨钢ANM450的耐腐蚀性能相对较差，在不同载荷下都对磨损产生更强的促进作用，在腐蚀环境下会大大降低其耐磨损性能的发挥。

2.4 腐蚀磨损形貌及机制

图12显示了ANM450在pH=5、pH=7、pH=8、pH=9四种模拟矿井水砂浆中的腐蚀磨损表面形貌。ANM450的磨损形态以微犁削为主，同时试样表面分布有形状大小不一的疲劳剥落坑和少量磨屑，说明ANM450钢在湿砂磨损过程中存在不同的磨损机制。在石英砂磨料作用下试样表面先发生塑性变形后产生微犁削，塑性变形和微犁削都会产生大量磨屑，但在图中只发现少量磨屑，说明湿砂磨损过程中，腐蚀液会不断冲刷试样表面，致使塑性变形和微犁削产生的磨屑掉落，这样加速了磨损质量损失。

图12 ANM450在4种模拟矿井水砂浆中的腐蚀磨损表面形貌

图12中磨痕的方向大致沿着试样的磨损方向分布，但磨痕浅短，方向杂乱，无序分布，这说明石英砂在ANM450试样表面滑动过程中遇到了阻碍，致使磨痕浅短无序。同时试样表面发生滑动时会出现转向和部分磨痕深度也逐渐变浅变窄，这说明ANM450钢中的TiC颗粒会阻碍石英砂在试样表面的滑动，尺寸较大的TiC颗粒会阻断石英砂在试样表面滑动，尺寸较小的TiC颗粒会阻碍石英砂在试样表面发生滑动，从而使石英砂滑动方向改变。4种环境下ANM450的腐蚀磨损表面形貌没有明显差别，主要有两方面原因，第一是湿砂磨损试验时间较短，试样腐蚀的现象不明显，第二是由于磨损过程中试样表面受到石英砂和橡胶轮的摩擦，表面腐蚀区被不断磨损掉落。

图13显示了Hardox450在pH=5、pH=7、pH=8、pH=9四种环境下的腐蚀磨损表面形貌。Hardox450的腐蚀磨损表面形貌都是以塑性变形、微犁削为主,试样表面分布有形状大小不一的剥落坑和少量磨屑。相比于ANM450磨痕形状和分布，Hardox450的磨痕特征沿着磨损方向呈直线分布，磨痕很少出现中断和转向，并且试样表面也没有大的塑性变形区出现。说明Hardox450的耐磨损性能主要是依靠基体板条状马氏体的高耐磨性能来实现。在湿砂磨损过程中，Hardox450试样表面出现了微切削现象，主要是石英砂尖端被橡胶轮压入基体组织内，在挤压力和推力的作用下不断向前不受任何阻碍，所以在基体表面留下深浅不一的塑性变形磨痕和切削痕。

图13 Hardox450在4种模拟矿井水砂浆中的腐蚀磨损表面形貌

图14所示新型耐磨钢ANM450在偏酸性模拟矿井水中连续磨损后的局部磨损形貌以及Ti、C元素分布。由图14(a)可知，新型耐磨钢ANM450表面主要以微犁削产生的磨痕为主，磨痕杂乱无序，在微犁削磨痕区域两边有塑性变形区以及磨屑，同时在磨损表面还可以发现许多剥落坑。对该区域进行EDS元素能谱分析可以发现，在剥落坑附近都有Ti元素聚集。图14(a)中白色方框区域1处，可以发现磨痕在该处主要发生了2个变化，第一是磨痕方向在该处发生了明显的偏转，这主要是因为磨痕偏转处有TiC颗粒，当磨料滑动到该处时遇到TiC颗粒，促使磨痕发生了偏转；第二个变化是原先宽大的磨痕在该处发生偏转之后变细变窄，产生这种现象的主要原因是石英砂遇到TiC颗粒发生偏转，TiC颗粒阻碍了石英砂的滑动，石英砂在运动的过程中容易掉落或者被挤碎掉落，使得磨痕磨损减少或者停止，这是新型耐磨钢ANM450耐磨性能提高的微观机制。

图14 ANM450在偏酸性模拟矿井水中连续磨损形貌及Ti、C元素面分布

3 结论

(1)在4种模拟矿井水砂浆中，新型耐磨钢ANM450的磨损量都小于Hardox450，说明在磨损占主导的情况下ANM450的耐磨损性能好于Hardox450；2种耐磨钢在不同砂浆中的相对耐磨性排序为：pH7>pH8>pH9>pH5，说明耐磨钢在酸、碱、高矿化度苛刻环境中的腐蚀磨损较严重。

(2)3种载荷下，2种耐磨钢的连续腐蚀磨损量随着载荷的增大而增大，ANM450的耐腐蚀磨损性优于Hardox450。

(3)ANM450和Hardox450的腐蚀磨损机制主要以微犁削为主。新型耐磨钢ANM450由于基体中弥散分布的TiC颗粒起到了局部强化的作用，同时阻碍磨料在耐磨钢表面滑动，从而表现出较优的耐磨性。

(4)在4种模拟矿井水砂浆中，新型耐磨钢ANM450的腐蚀促进磨损率都高于Hardox450，且在酸、碱和高矿化度苛刻环境中，腐蚀加速磨损的作用更大。