煤矿液压支架立柱防腐蚀问题研究

冯文涛

平顶山天安煤业股份有限公司十一矿 河南 平顶山 467000

引言

中国是煤炭资源型国家，是世界第一产煤大国。根据国家统计局发布的最新数据显示2019年我国能源消费结构中煤炭所占比重为59%，较上年下降约1.3个百分点，天然气、水电、核电、风电等清洁能源所占比重为22.2%较上年上升1个百分点。可以看出，虽然国家正在大力发展新能源，不断优化能源消费结构，但煤炭资源的开发利用仍在国民经济中占着举足轻重的地位。而液压支架作为综合机械化采煤的重要设备之一起着关键作用，其可靠性与寿命直接影响煤矿井下工作面的支护质量1[1]。由于井下环境复杂恶劣，支架长期工作就容易被腐蚀，而作为液压支架的关键承载部件的立柱一旦出现腐蚀现象，不仅会严重威胁矿井工作人员的生命安全，还会造成巨大的经济损失。研究立柱在煤矿井下的腐蚀特性，对于提高材料机械性能，制造高强度工业设备具有极为重要的意义

1 腐蚀原因及特点分析

1.1 腐蚀环境

我国煤矿通常为地下开采，采煤工作面和巷道内相对湿度大，通常在75%左右，井下存在大量的腐蚀介质，水质成分复杂，pH值变化大，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0.17mm/a，最大可达0.5mm/a。另外井水中的氯离子起着去极化作用，也加速了液压支架立柱的腐蚀。

1.2 腐蚀形式

立柱腐蚀从形态上看有两大类：一是铬层表面的局部出现腐蚀坑以及大小不等的“鼓泡”，有的蚀坑已连接成片，造成较大面积铬层脱落。用放大镜观察鼓泡，会发现有许多“泡盖”上都有明显的针孔或裂纹，有的甚至用肉眼即可看到有明显的龟裂现象，有的鼓泡已破裂，其下钢铁基体已被腐蚀，产生大量的黑色锈层；二是厚度约1mm的镀铁层大片脱落，这些被腐蚀的部位主要是活柱暴露于液压缸之外的1/3～2/3处。

1.3 腐蚀机理

任何金属材料在实际的使用过程中都会与周围环境的介质进行相互的作用，导致化学与电化学反应现象的发生，使其自身的性能降低，甚至是丧失，这就是腐蚀现象。液压支架立柱发生的腐蚀属于典型的电化学腐蚀，由于Cu层与Ni镀层等对于钢铁的基体都是阴极性的镀层，而防腐机制则是将钢铁基体与相应的溶液介质进行物理性的隔离[2]。所以，在镀层出现缝隙或者破坏的情况下，腐蚀介质就会利用缝隙进入钢铁基体表面。而钢铁基体就被作为阳极进行腐蚀，且腐蚀的速度要快于未镀层的基体腐蚀速度。所以，只有在金属材料镀层保持完整的情况下才能够有效的保证金属的质量。镀铬层容易被氧化，容易在金属表面形成钝化膜，所以具有一定的耐腐蚀性能，但是，在含氯离子的溶液中就会影响其耐腐蚀性能。因此，矿用液压支架在使用过程中发生的腐蚀是由腐蚀介质通过镀层的缝隙，缺陷等处到达基体金属而导致的。

2 目前立柱防腐蚀技术的应用

2.1 电镀

电镀是利用电流使金属附着在物体表面上，形成均匀、耐蚀、结合力良好的致密金属层的过程。国内采用最多的是锡青铜打底再镀硬铬的复合镀层。该镀层具有显微硬度高、耐磨性好等特点，可起到机械保护作用，但对环境污染较大，尤其是重金属污染，且对微裂纹或孔隙极为敏感，在使用过程中，立柱一旦发生穿透镀层的孔隙，就会出现电化学腐蚀，造成镀铬层鼓泡、起皮和脱落，以致密封圈划伤、失效[3]。镀铬层失效后，只能采取褪镀方式重新电镀，如果基体损伤过重，就只能报废重新更换立柱。

2.2 化学镀

化学镀是依靠溶液中的化学反应，在溶液中添加还原剂，经自催化电化学反应而沉积出合金镀层的技术，又称无电解镀。与电镀相比，化学镀是依靠基材的自催化性施镀，不需直流电源设备，结合性能一般优于电镀，对环境污染少，镀层有光亮或半光亮外观，晶粒细小致密，孔隙率低，适用于形状复杂的工件。目前在液压支架的生产和修复中主要包括化学镀镍、锡磷处理和磷化处理。

2.3 等离子喷涂

等离子喷涂是用惰性气体加入少量的H2作为保护气体，采用由直流电驱动的等离子弧作为热源来加热熔化喷涂粉末，然后高速喷涂在基体表面形成附着牢固的表面涂层的过程[4]。对于液压支架立柱，可选择具有高硬度、低摩擦因数及良好红硬性的氧化物类陶瓷涂层或碳化物类金属陶瓷涂层，其耐磨性和耐蚀性优于镀硬铬，而且沉积效率高，环境污染小，可取代镀硬铬。

等离子喷涂具有以下特点：

（1）基体材料不受限制，可在各种基材上喷涂；

（2）可喷涂的涂层材料极为广泛，理论上可以喷涂所有具有物理熔点的材料；

（3）喷涂过程中基体表面受热程度小，易于控制且对基体组织影响较小；

（4）所得涂层表面平整光滑，涂层较致密，孔隙率低，且结合强度高；

2.4 等离子熔覆技术

等离子熔覆技术是利用等离子体与其他材料碰撞产生的能量来发生一系列理化学反应，从而在金属表面获得良好的耐蚀、耐磨、耐热等性能的材料表面改性技术。等离子熔覆不易产生裂纹、气孔等缺陷，具有成本低、效率高、操作方便等特点，在大面积，大厚度，熔覆方面有明显优势。

2.5 激光熔覆技术

激光熔覆技术是用激光束将基体表面金属和熔覆材料同时熔化，快速凝固后形成与基体材料成冶金结合的表面熔覆合金层。由于激光熔覆过程中能量高，热量集中，因此得到的熔覆合金层比等离子熔覆层更加致密均匀，耐腐蚀性更高。但激光熔覆设备投资成本及后期的维护成本较等离子熔覆要高得多。与等离子喷涂、化学镀和电镀相比，激光熔覆具有对基材影响较小，工件不易变形、涂层与基体结合好等特点，是目前比较环保又具有较大经济效益的一项新技术。但是在工艺方面受到许多限制，实际生产中更需要高的操作技能，在国内尚未完全实现产业化。

3 结束语

煤矿井下恶劣的环境决定了液压支架立柱防腐蚀的复杂性，因此，针对不同煤矿的状况要做到具体问题具体分析，合理采用相应的防腐蚀手段。就目前市场状况来看，等离子熔覆技术的发展较为成熟，应用比较广泛。激光熔覆技术的经济效益则更为显著，更加绿色环保。党的十九大报告就提出，要建立健全绿色低碳循环发展的经济体系，构建市场导向的绿色技术创新体系，推进资源全面节约和循环利用。因此，激光熔覆技术在未来具有更大的竞争优势和应用前景。