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一、石墨的物理-力學性能

石墨具備較好的熱穩(wěn)定性、潤滑性以及耐磨性，處于常溫環(huán)境下的石墨一般不受到強堿、強酸或者有機溶劑的侵蝕，因而在現(xiàn)代工業(yè)生產中石墨經(jīng)常會充當固體自潤滑材料。石墨在不斷的摩擦中會有大量的石墨粒子從其中剝離，包括一些炭塊材料中的不純物以及塵埃，都能夠對摩擦表面形成一種較為特殊的碳素薄膜，如果石墨繼續(xù)摩擦時這些薄膜就會對其上面分布的大量石墨微觀孔穴進行自動填充，外物對磨面的直接接觸會被薄膜所阻隔，從而可以有效減輕基體的磨損，耐磨性獲得了大幅度提高。摩擦時，石墨微晶也會黏附金屬材質，因而對磨時金屬因為黏著作用會將石墨微粒牢牢地吸附到金屬氧化物中，實質上也是在對磨表面形成1種特殊的養(yǎng)護薄膜，從而有效減輕試樣的磨損。需要注意的是，石墨潤滑材料中含有大量固體潤滑劑，如果這種潤滑劑能夠持續(xù)得以補充，使得固體潤滑膜具有較好的連續(xù)性以及完整性，那么就會獲得較好的潤滑以及自我修復。在鑄鐵環(huán)境下，除了上述因素外，石墨潤滑能力所受的的影響還來自于金屬基體，如果選擇的金屬基體本身就具有較高的硬度，那么摩擦面亞表面金屬塑性變形區(qū)就會迅速減小，從而石墨的擠出功能受到阻礙，進一步造成石墨成膜能力的降低。因而在煤礦機械的實際生產中，選擇金屬基體時應盡量選用硬度比較低的，非常典型的是較軟的鐵素體基體，該金屬基體在多種行業(yè)中應用都較為廣泛。

二、煤礦機械生產中石墨/鐵基耐磨復合材料的應用

（1）石墨/鐵基耐磨復合材料的制備方法

粉末燒結是一種較為常見的石墨/鐵基耐磨復合材料制備方法，主要涵蓋了混合、粉末軋制、燒結，對基體的熱處理以及加工等幾個步驟。鑄鐵熔點和石墨相比要低很多，通常較為適宜的燒結工藝應為液相燒結，具體裝置可以分為幾種：①中頻感應加熱，這種燒結方式在感應加熱時溫度會在短時期內獲得大幅度快速提高，但需要注意的是此時受熱并不均勻，會出現(xiàn)外部鐵屑熔合時，心部仍然不能熔化。若繼續(xù)加熱，由于石墨比重較小，在鐵屑熔化成液態(tài)時就會上浮，從而導致石墨的不均勻，效果不理想。②高溫爐中加熱和真空爐加熱是較為有效的2種方法，前者機構簡單、體積緊湊、爐溫均勻，和中頻感應相比溫度更容易精確控制，熱效率也較高，并能夠實現(xiàn)壓塊的1175℃燒結和保溫。真空爐加熱將真空作為制備過程中的保護器，避免工件處于高溫下導致的氧化脫碳反應，最大限度地提高工件熱處理表面的質量，確保工件質量的合格。

（2）試樣材料成分

試樣材料成分所選用的材料是灰鑄鐵（HT200）鐵屑純凈的200目石墨粉，選擇石墨質量比例1%、2%、3%、4%進行混合，混合完成后通過100t摩擦壓力機擠壓成形，接著將其置入中頻感應燒結裝置進行燒結，完成后將其取出自然冷卻。然后采用HB-3000型布氏硬度計對獲得材料的硬度進行測試，選用ML-10磨粒磨損試驗機對材料的耐磨性進行測試。

（3）結果分析

①金相實驗結果分析圖1為4個試樣的金相圖像，灰鑄鐵的基體全部都是石墨和鐵素體。圖1中白色區(qū)域和黑色區(qū)域分別為鐵素體組織、石墨。其中，石墨形狀全部是A型。測試后發(fā)現(xiàn)2%試樣金相照片中的石墨長度等級可以判定成4級，具有明顯的短小、粒狀石墨較多的特征，同時片狀石墨較圓鈍。對其他試樣進行檢測，其石墨長度都是3級，相對較長，同時1%石墨中，呈現(xiàn)出明顯的石墨片斷部尖銳的特征，而且在3%~4%的試樣中表現(xiàn)為明顯的粗大，伴有集結成果的現(xiàn)象。石墨的硬度均較低，為HB3，抗拉強度＜20MPa，其延伸率則趨近于0。從其特性來說，石墨類似于金屬基體中的孔洞和裂縫，不僅能夠降低基體的強度，還能夠導致應力集中。如果對于石墨的形狀進行適當改變就能夠減輕石墨的負面影響，且長片狀石墨的尖銳程度和其他短片狀石墨要明顯增大，應當選擇鈍片狀的石墨，因為這種石墨不易對基體造成破壞，從這個角度來說，顆粒狀的石墨則更加有利。從金相照片可以看出2%試樣磨損量最小，組織最為合理。圖1不同含量石墨金相組織（退火）圖②硬度試驗結果及分析圖2為試樣的硬度曲線。從中觀測到退火后試樣硬度較退火前相比呈現(xiàn)出降低的趨勢，而且隨著石墨含量的不斷增加，布氏硬度卻明顯減少，由于壓塊在燒結空冷時基體自動形成了大量具有高硬度的珠光體組織，通常來說其硬度值可以達到HB250，因而如果利用石墨化退火，可以使珠光體中的滲碳體得以分解，分解出的成分為鐵素體加石墨。石墨含量越高，那么試樣的硬度就會越小。③磨損實驗結果分析實驗顯示，試樣的耐磨性出現(xiàn)明顯的先減后增變化，其中以2%試樣的磨損量為最小。1%石墨試樣硬度和其他試樣相比明顯較高，通常在摩擦時不容易形成連續(xù)的潤滑膜，因而會直接導致基體磨損量的增大，而2%試樣中由于石墨含量多加上形狀比較細小和均勻，因而很容易形成比較均勻和連續(xù)的固體潤滑薄膜，因而一般會具有較好的耐磨性能。在3%~4%的試樣中，由于其中蘊含的石墨含量過高，從而造成石墨片逐漸呈現(xiàn)出粗大狀態(tài)，割裂也相應增大，因而在摩擦時容易出現(xiàn)較多的剝落現(xiàn)象，使得基體的磨損量開始增大，利用它來制作襯套時具有明顯的耐磨性過低現(xiàn)象，使用壽命較短。

（4）在煤礦機械生產中應用實例

實際生產中，煤礦豎井罐籠通常作為煤礦主要提升運輸設備。罐籠在運行時，一般速度會比較快，能夠達到10m/s，在短時期內會散發(fā)出非常多的熱量，造成襯套固定在罐籠和導向鋼絲繩出現(xiàn)相對滑動，而襯套和鋼絲繩會形成多種類型的磨損，常見的有黏著磨損、磨粒磨損以及氧化等，而煤礦機械中的鋼絲繩所需要的成本較高，其安全性對生產的順利進行也起著關鍵作用，所以罐籠運行時必須最大限度地降低對鋼絲繩造成的磨損。依照摩擦原理，為達到這一目的，導向襯套硬度應較低，并且耐磨，具有較好的自潤滑能力。鋼絲繩和襯套如果硬度配比較為合理時，通常就不會對鋼絲繩造成磨損，如果在其中加入石墨這樣具有自潤滑功能的材料，給基體和鋼絲繩提供一種更為可靠的保護。使用較軟的石墨/鐵基耐磨復合材料，可以保證襯套較高的穩(wěn)定性和耐磨性，若軟度配置合理，除了能夠滿足磨損機理的要求外，重要的是能夠改變襯套壽命短的缺陷，省去了頻繁更換的麻煩。同時，石墨/鐵基耐磨復合材料除了應用在豎井罐籠中外，在煤礦機械生產中的其他易損、容易老化、壽命較短的金屬零部件，比如軸承、套筒以及活塞等均可使用。

三、結語

綜上所述，石墨的粒度、添加量等對于石墨/鐵基耐磨復合材料的性能均會造成不同程度的影響，因而在煤礦機械生產中應用時除了需要選擇合適的制備方法外，還需要注意金屬硬度的適宜和配比的合理，從而充分發(fā)揮復合材料的耐磨性，有效改善煤礦機械生產中金屬零部件易磨損、易老化、壽命短的問題，促進煤礦機械生產的發(fā)展。

作者：陳貴清陳小剛單位：重慶三峽職業(yè)學院