郝 强1,2，刘混举1
(1. 太原理工大学 机械工程学院，山西 太原 030024；2.神华神东煤炭集团 物资供应中心，陕西 神木 719315)
摘要：在刮板组件验收过程中，经去除掉表面防锈漆操作后，通过使用便携式光谱仪分别激发刮板和压板对38×126型和48×152型两种刮板组件进行了元素分析实验，发现C(碳)元素含量低于其材质42CrMo的技术要求，但其余元素均满足标准要求。每磨掉一层金属后，碳元素含量呈递增现象，故证明刮板和压板表面存在脱碳层。脱碳层作为一项重要指标，直接影响钢材的质量和寿命，对于耐磨性要求较高的煤矿设备，降低其脱碳层可产生不可估量的经济效益。
关键词：刮板组件；分析实验；脱碳层；刮板输送机
刮板输送机是煤矿生产中最重要的设备之一，其运行安全性直接影响煤矿正常生产。在采煤工作过程中，刮板输送机作为煤和其他物料的主要运输设备和采煤机的运行轨道，如果运行过程发生中断，将会造成整个采煤工作面出现停产状态，使煤矿生产过程中断。刮板组件作为刮板输送机的核心组成部件，也是保证刮板输送机正常运行的关键部件。刮板组件在整机中的成本将近8%，并且经常需要更换，消耗量大，损坏后必须停机才能更换，因此其质量好坏直接决定刮板输送机能否正常运行，对煤矿的安全运输和生产以及经济效益有着较大的影响，故在订货及到货验收中应把好质量关，以提高其安全性和经济性。
在刮板组件验收过程中对38×126型和48×152型两种刮板组件进行了元素分析实验。去除掉表面防锈漆以后，通过使用便携式光谱仪分别激发刮板和压板进行C(碳)元素含量检测，发现C元素含量低于其材质42CrMo的技术要求，但其他元素含量均能够满足GB/T 3077-1999标准的技术要求[1-2]。
刮板和压板表面除锈后测得的碳元素含量如表1所示，刮板和压板表面除锈后再轻微打磨测得的碳元素含量如表2所示，刮板和压板磨掉接近1 mm时测得的碳元素含量如表3所示。经过多次实验，每磨掉一层金属后，碳元素含量呈递增趋势。表层不同深度碳元素含量递增变化趋势如图1所示。
根据表1、表2、表3，证明刮板和压板表面存在脱碳层。GB/T 3077-1999《合金结构钢》对于脱碳层相关规定如下：碳元素含量高于0.30%的钢材料应通过显微镜组织法进行脱碳层检测，每条边的脱碳层深度不应大于钢材料厚度的1.5%。
表1 刮板和压板表面除锈后测得的碳元素含量(质量分数)
检测项目标准要求%38×126刮板组件碳元素含量(%)48×152刮板组件碳元素含量(%)碳(C)0.38～0.45刮板压板刮板压板0.260.180.110.28
表2 刮板和压板轻微打磨后测得的碳元素含量(质量分数)
检测项目标准要求%38×126刮板组件碳元素含量(%)48×152刮板组件碳元素含量(%)碳(C)0.38～0.45刮板压板刮板压板0.280.210.130.32
表3 刮板和压板磨掉接近1 mm时测得的碳元素含量(质量分数)
检测项目标准要求%38×126刮板组件碳元素含量(%)48×152刮板组件碳元素含量(%)碳(C)0.38～0.45刮板压板刮板压板0.440.420.410.41
根据上述标准规定对脱碳层深度进行计算，38×126型的刮板脱碳层不应大于1.1 mm，压板脱碳层不应大于0.9 mm；48×152型的刮板脱碳层不应大于1.9 mm，压板脱碳层不应大于0.9 mm，因此判定该批刮板组件含碳量符合国家标准的规定。
脱碳现象是指钢材料在进行加热时表面的碳元素含量出现降低的现象。脱碳的实质就是钢材料中C元素在高温作用下与H元素或O元素发生反应生成CH4或CO。在脱碳过程中包括O元素向钢材料内部的扩散以及C元素向钢材料外面的扩散，因此只有在脱碳速率大于氧化速率时才能形成脱碳层。当钢材料的氧化速率较大时，会发生不明显的脱碳现象，脱碳层产生后将会被氧化形成氧化皮，但在氧化作用相对较弱的氛围中，能够形成较为明显的深层脱碳层。
图1 表层不同深度碳元素含量变化趋势
对于绝大多数钢材料而言，脱碳现象会导致钢材料的性能变差，故将脱碳层看作钢材料的一种缺陷，尤其是对于某些特种钢(如工具钢、轴承钢、高速钢等)而言，脱碳层更是严重地影响其性能[4-5]。钢材料表层中的C元素被氧化后将会形成脱碳层，体现在化学成分上脱碳层的碳元素含量比正常组织较低，体现在金相组织上脱碳层中的渗碳体(Fe3C)的数量比正常组织中少，体现在力学性能上脱碳层的强度和硬度比正常组织低。
(1) 钢材料的表面形成脱碳层以后，因钢材料的表面与内部组织的差异以及其线膨胀系数的不同，在淬火过程中不同组织间的转变和体积的变化会产生巨大的内应力，同时脱碳层的形成会导致钢表层的强度下降，在进一步的机械加工过程中可能使零部件的表面产生裂纹缺陷。
(2) 对于需要进行淬火热处理的钢材料，表面形成脱碳层后使其含碳量下降，淬火后的马氏体不能够进行转变或者不能全部发生转变，导致钢材料的硬度和强度达不到要求，在使用过程中容易出现接触疲劳损坏现象。
(3) 钢材料产生脱碳层以后导致其疲劳强度降低，加工生产的零部件在使用过程中会出现过早的疲劳损坏现象。
(4) 零部件表层形成的脱碳层(黑皮部分)未被加工，会导致零部件的性能降低；如果脱碳层的深度小于加工余量，在进行机械加工时可以完全被切削掉，不影响零部件的性能；如果脱碳层的深度大于加工余量，在进行机械加工时不能完全被切削掉(部分脱碳层被保留下来)，使零部件的性能下降。由于锻造加工工艺不当，造成零件表面的脱碳层出现局部堆积现象，而且在进行加工过程中不能够将产生的脱碳层完全切削掉，保留下来的脱碳层会导致零件的性能不均，严重时可导致零件的报废。
(1) 零部件在进行加热过程中，尽量降低加热温度和减少在高温下的加热时间，确定合理的加热速率，缩短总的加热时间。
(2) 设计具有特殊功用的加热炉，严格控制加热炉中的加热气氛，使炉中的气体呈中性，具有保护作用。
(3) 在热加工过程中，若因某些特殊原因而停止，应当将加热炉温度降低等待恢复加工生产，如果停止时间过长，必须将待加热材料取出来或者随加热炉冷却。
(4) 在冷变形加工过程中，应当尽量控制中间过程中的退火次数和降低退火温度，必要时可进行软化回火处理，以降低脱碳层的形成，退火和软化回火等热处理操作必须在保护介质中进行。
(5) 进行高温加热时，可在钢材料的表面增加覆盖物或者进行涂层保护，用来防止钢材料的氧化和脱碳。
(6) 钢材料进行加工时选择正确的操作(如加大零部件的机械加工余量)，以保证产生的脱碳层能够完全被切削掉。
金属表面的脱碳层由于表面碳含量较低，极大地降低了零件表面的强度和耐磨性，严重影响设备或零件的使用寿命。对于刮板而言，若刮板表面脱碳层为2 mm，那么其表面的2 mm脱碳层就极易磨损，直至磨到基体后刮板的耐磨性才会升高。但是由于刮板尺寸减少了2 mm，势必会将刮板与溜槽的配合间隙增大，造成剧烈的震动，导致金属的失效加速，直接影响刮板的使用寿命。脱碳层作为一项直接衡量钢材质量和寿命的重要指标，在采购过程中供需双方要明确是否允许有脱碳层以及允许脱碳层的厚度，生产制造单位要把握好加工工艺，促进脱碳层厚度的降低。对于耐磨性要求较高的煤矿设备，降低脱碳层的厚度对于煤炭企业可带来不可估量的经济效益。
参考文献：
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[4]石楠楠,吴晓春,周青春.表面脱碳层对H13钢热疲劳性能的影响.上海金属,2011(1):26-29.
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[6]成大先.机械设计手册.北京:化学工业出版社,2007.
(英文摘要
文章编号：1672-6413(2016)04-0119-02
收稿日期：2015-10-15；
修订日期：2016-05-20
作者简介：郝强(1973-)，男，内蒙古鄂尔多斯人，高级经济师，在读工程硕士，主要研究领域：矿山机械设备。
中图分类号：TH227
文献标识码：A
HAO Qiang1,2, LIU Hun-jiu1
(1. College of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024, China; 2. Material Supply Center of Shenhua Shendong Group, Shenmu 719315, China)
Abstract： Elemental analysis experiments of the 38×126 and 48×152 two scraper components were carried out by using portable spectrometer to excite the scraper and the pressure plate in the acceptance process, which found that C (carbon) element content was lower than the technical requirements of its material 42CrMo, but the rest elements could meet the standard requirements. Carbon element content increased after cutting down each layer of metal, which proved that the decarburized layer existed in scraper and plate surface. As an important indicator, decarburization layer directly affects the quality and service life of steel components. So reducing the decarburization layer will bring immeasurable benefits to which needs higher requirements of abrasion resistance.
Key words： scraper components; analysis experiment; decarburized layer; scraper conveyor
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