霍麗麗^1,2，侯書(shū)林²，田宜水¹，趙立欣¹，孟海波¹，孫浩²

（1．農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100125；2．中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083）

　　摘要：針對(duì)生物質(zhì)固體燃料成型機(jī)在加工成型燃料過(guò)程中，關(guān)鍵部件環(huán)模和壓輥磨損后導(dǎo)致使用壽命短、影響生產(chǎn)率等問(wèn)題，該文對(duì)壓輥進(jìn)行磨損試驗(yàn)研究，該壓輥采用45鋼滲碳處理，滲碳層深度3mm，在實(shí)際生產(chǎn)工況下工作200h。由于原料中的硅酸鹽成分、雜質(zhì)、喂料的不均勻以及原料中水分影響加劇壓輥表面的磨損，致使壓輥快速磨損失效。磨損后利用S-570掃描電鏡觀察其磨損形貌，探究壓輥失效的磨損機(jī)理。結(jié)果表明，靠近喂料一側(cè)壓輥表面磨損嚴(yán)重，磨損量4.2mm左右，比其他位置表面的磨損量多1.2mm。磨損機(jī)理主要是黏著磨損和磨粒磨損，磨損面已接近滲碳層與基體交界處，并且磨損面存在應(yīng)力腐蝕裂紋。

　　0引言

　　隨著一次能源的不斷減少，可再生能源越來(lái)越被人們關(guān)注。其中，生物質(zhì)固體燃料以豐富的秸稈等生物質(zhì)為原料，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)、便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，具有廣闊的發(fā)展前景。其生產(chǎn)設(shè)備可分為螺旋擠壓式、活塞沖頭式、平模式和環(huán)模式，其中環(huán)模式成型機(jī)具有生產(chǎn)率高、成型好等優(yōu)點(diǎn)，是生產(chǎn)生物質(zhì)固體燃料企業(yè)優(yōu)選設(shè)備。HM485型生物質(zhì)固體燃料成型機(jī)是一種新型的生物質(zhì)固體成型燃料加工設(shè)備，但該設(shè)備存在主要部件磨損嚴(yán)重等問(wèn)題，其中，環(huán)模和壓輥是成型機(jī)的關(guān)鍵工作部件，而目前研究理論針對(duì)環(huán)模的失效機(jī)理進(jìn)行研究，并未對(duì)壓輥進(jìn)行研究。壓輥用來(lái)向環(huán)模擠壓物料，由于壓輥長(zhǎng)期受到摩擦力與擠壓力的作用，將壓輥的外圓周表面加工成齒槽狀，既增強(qiáng)了抗磨損能力，又易于攫取散料。壓輥工作條件比較惡劣，除原料對(duì)壓輥正常磨損外，秸稈、木屑等生物質(zhì)原料中多含有砂石、硅化物以及鐵屑等硬質(zhì)顆粒物，加劇對(duì)壓輥的磨損。由于壓輥和環(huán)模的線速度基本相等，壓輥的直徑僅為環(huán)模內(nèi)徑的0.4，故壓輥磨損率比環(huán)模高2.5倍。壓輥理論設(shè)計(jì)壽命為300h，但實(shí)際使用時(shí)間不超過(guò)200h。一些工廠由于使用不當(dāng)，使用時(shí)間還不到150h，并且失效壓輥因表面磨損嚴(yán)重已無(wú)法重新修復(fù)。壓輥磨損過(guò)快，不僅降低顆粒燃料的成型率，增加生產(chǎn)成本，而且直接影響生產(chǎn)率。因此，如何延長(zhǎng)壓輥的使用壽命是目前生物質(zhì)固體燃料成型機(jī)的研究重點(diǎn)。

　　為提高壓輥的可靠性和耐用性，本文對(duì)壓輥進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)研究，對(duì)磨損壓輥進(jìn)行宏觀、微觀和金相組織分析，探討壓輥磨損失效機(jī)理，為合理選擇壓輥材料和熱處理工藝提供理論依據(jù)。

　　1試驗(yàn)設(shè)備與方法

　　1.1試驗(yàn)設(shè)備

　　1.1.1磨損試驗(yàn)設(shè)備

　　磨損試驗(yàn)機(jī)采用農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)的HM485型生物質(zhì)固體燃料成型機(jī)，該機(jī)已在北京大興農(nóng)業(yè)部生物質(zhì)固體成型燃料示范基地進(jìn)行了應(yīng)用，主要技術(shù)參數(shù)如下：主機(jī)功率：110kW；設(shè)備生產(chǎn)率為2t/h；燃料成型率＞95%；顆粒密度＞1.0g/cm3；長(zhǎng)×寬×高：2015mm×1283mm×2230mm。該機(jī)能夠適應(yīng)于玉米秸稈、棉花秸稈、小麥秸稈以及林業(yè)剩余物等生物質(zhì)原料。主要由機(jī)體、喂料裝置、工作室和環(huán)模、壓輥等構(gòu)成（如圖1），主要利用環(huán)形壓模和與其相配的圓柱形壓輥等部件成型。

　　工作時(shí)，農(nóng)作物秸稈、木屑等生物質(zhì)原料在配料倉(cāng)內(nèi)混入添加劑，并由螺旋喂料裝置進(jìn)行混合，隨后將物料喂入工作室內(nèi)制粒。在工作室內(nèi)，勻料板將調(diào)制好的原料分配到環(huán)模和壓輥之間。電機(jī)帶動(dòng)環(huán)模轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)模輥間的物料及其摩擦力使安裝在環(huán)模內(nèi)的壓輥?zhàn)赞D(zhuǎn)，將物料鉗入、擠壓，最后成圓柱狀從環(huán)模孔中被連續(xù)擠出來(lái)，再由安裝在環(huán)模外的固定切刀切成一定長(zhǎng)度的顆粒燃料。

　　1.1.2試驗(yàn)原料

　　采用大興禮賢鎮(zhèn)顆粒廠提供的2008年秋季成熟玉米秸稈。將玉米秸稈粉碎，粒度小于8mm。自然風(fēng)干或調(diào)濕處理，使水分控制在15%～20%范圍內(nèi)，裝入密封袋備用。該試驗(yàn)將玉米秸稈直接壓縮，不添加任何其他成分。

　　1.1.2磨損分析試驗(yàn)儀器設(shè)備及試劑

　　北京時(shí)代TH320全洛氏硬度計(jì)，HITACHIS570ScanningElectronMicroscope，電火花線切割機(jī)，砂輪，預(yù)磨機(jī)（砂紙200#-900#），水平拋光盤(pán)（300～500r/m，粗拋光時(shí)轉(zhuǎn)速高，精拋光時(shí)轉(zhuǎn)速低），拋光布（粗拋光用帆布，精拋光用絨布），拋光液（Al2O3細(xì)拋光粉在水中的懸浮液），浸蝕劑（4%硝酸酒精溶液）等。

　　1.2試驗(yàn)方法

　　依據(jù)目前工廠正在使用壓輥的材料及熱處理方法，選用由45鋼材料的壓輥，壓輥外徑205mm，內(nèi)徑146mm，為提高耐磨性，延長(zhǎng)使用壽命，進(jìn)行表面滲碳處理，滲碳層厚度3mm。滲碳后淬油處理。處理后壓輥齒高5mm，齒頂寬5mm，齒溝寬2mm，齒間距8mm。以大興周邊地區(qū)玉米秸稈為原料進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，安裝左右2只壓輥進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，生產(chǎn)顆粒密度為1.2g/cm³，直徑為8mm的玉米秸稈顆粒燃料，服役時(shí)間200h，2只壓輥均出現(xiàn)了嚴(yán)重磨損，磨損層深度超過(guò)壓輥工作層厚度的70%，此時(shí)生物質(zhì)固體燃料的成型率已下降到75%以下，我們認(rèn)為其失效，如圖2所示，此時(shí)壓輥的攫取能力明顯下降，出料速度降低，散料增多，外表面凹坑迅速增多。

　　在磨損失效的壓輥上，線切割機(jī)切下3塊小塊試樣，試樣大小為10mm×10mm×20mm，如圖3所示分別進(jìn)行化學(xué)成分分析，硬度測(cè)試和微觀磨損分析。其中，對(duì)第3塊試樣進(jìn)行打磨、拋光、將樣品放在真空鍍膜機(jī)內(nèi)，鍍金處理后，用S-570掃描電子顯微鏡觀察磨損部位表面的顯微組織以及磨損形貌，分析其磨損機(jī)理和失效原因。

　　2試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　2.1肉眼觀察

　　壓輥磨損量大且磨損不均勻，對(duì)其表面進(jìn)行觀察和測(cè)量，如圖4所示。齒表面凸凹不平，并伴有一些劃痕及凹坑。壓輥齒磨損量在3mm左右。靠近喂料一側(cè)的表面磨損嚴(yán)重，磨損量達(dá)4.2mm，齒頂已接近齒溝部。這是由于物料從壓輥表面的一側(cè)喂入工作室，刮板沒(méi)有來(lái)得及將物料分配均勻就已經(jīng)壓入環(huán)模孔，致使一側(cè)的物料較厚，加劇壓輥磨損。

　　表明摩擦?xí)r壓輥表面存在硬質(zhì)磨粒使壓輥表面局部塑性變形，磨粒嵌入、切割金屬表面從而導(dǎo)致零件表面逐漸損耗，直至滲碳層幾乎消失。不僅粉碎的秸稈充當(dāng)磨粒，原料中含有鐵屑、砂粒等顆粒較大的硬質(zhì)材料雜質(zhì)，與壓輥發(fā)生咬合，使壓輥表面出現(xiàn)凹坑、劃痕等。壓輥磨損與環(huán)模內(nèi)表面磨損機(jī)理基本一致，均有磨痕。

　　2.2壓輥磨損失效分析

　　對(duì)壓輥的齒面、齒頂和齒溝進(jìn)行磨損失效分析，以探明磨損機(jī)理及磨損原因。

　　2.2.1硬度測(cè)試

　　選用磨損量較小的一塊試樣，用TH320全洛氏硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，如圖5所示，試樣由表及里的硬度值分別為44.5、28.5、25.5、23.0和22.5HRC。

　　2.2.2化學(xué)元素分析

　　對(duì)該試樣進(jìn)行樣品的化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。元素含量符合45鋼的成分要求。

　　2.2.3壓輥截面金相組織分析

　　壓輥的齒面、齒頂與齒溝端面金相分析表明，表面沒(méi)有過(guò)共析滲碳層，均已磨損。圖6為齒面、齒頂與齒溝等不同部位的表層顯微組織圖。齒面（圖6a）部分尚留稍厚的馬氏體層。而齒頂（圖6b）和齒溝（圖6c）僅留不到50μm的馬氏體薄層，所有這些馬氏體均系接近共析鋼或亞共析鋼的馬氏體形態(tài)，即片狀馬氏體和板條狀馬氏體組成的混合組織。

　　表層以下的淬硬層為典型的板條馬氏體，如圖7a所示。接下來(lái)由于進(jìn)入試樣深層，淬火冷卻速度下降，出現(xiàn)托氏體網(wǎng)狀析出，如圖7b所示。有些地方還出現(xiàn)羽毛狀上貝氏體析出，如圖7c所示。心部（圖7d）有大量的鐵素體析出。分析表明，該壓輥并沒(méi)有完全淬透，圖7b和圖7c都是未淬透的表現(xiàn)，由于壓輥失效主要是表面的磨損，心部對(duì)壓輥失效的影響不大。

　　2.2.4壓輥表面磨損形貌分析

　　齒頂、齒溝部磨損面磨損形貌為黏著磨損形貌（圖8a），表明表面的滲碳層已被磨損，試樣的硬度不高，由于物料細(xì)小顆粒與壓輥表面間實(shí)際接觸面積很小，接觸點(diǎn)應(yīng)力很高，并且接觸點(diǎn)溫度非常高，有時(shí)高達(dá)1000℃，甚至更高，而基體溫度一般較低。壓輥表面接觸點(diǎn)處于這種高溫和高應(yīng)力狀態(tài)下，使接觸微峰產(chǎn)生黏著，出現(xiàn)擠壓塑性變形。這主要由于秸稈原料中的硅酸鹽和沙粒中的SiO₂、鐵屑等雜質(zhì)的細(xì)小顆粒擦傷壓輥表面，致使表面發(fā)生咬合現(xiàn)象而產(chǎn)生了黏著磨損。

　　個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)泥狀花樣（圖8b），齒溝部泥狀花樣比齒頂部更加明顯，表明所接觸的原料有水分等介質(zhì)，在壓制過(guò)程中原料由于擠壓而受熱，原料中的水分蒸發(fā)變成水蒸氣，金屬?gòu)乃魵庵形綒涠鴮?dǎo)致晶間應(yīng)力腐蝕。同時(shí)細(xì)小沙粒落在金屬表面形成縫隙而凝聚水分，形成氧濃度差也給壓輥表面腐蝕創(chuàng)造局部條件，加劇了壓輥的磨損。從磨損形貌中看出不僅有腐蝕產(chǎn)物，而且有應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生。

　　齒面部磨損面磨損形貌為黏著磨損形貌，有3種類(lèi)型（圖9）：伴隨有韌窩的黏著磨損（圖9a）；伴隨有犁壟的黏著磨損（圖9b），較大硬顆粒擠壓造成的犁溝及溝側(cè)突起的溝邦隨后被擠壓變平，形成較大的溝壟；伴隨有犁溝的黏著磨損（圖9c）。研究表明，除黏著磨損外，還存在磨粒磨損。主要是由于磨粒在壓輥表面發(fā)生微觀切削作用引起的，環(huán)模對(duì)壓輥的法向載荷將磨粒壓入表面，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)磨粒對(duì)表面產(chǎn)生犁刨作用，形成磨痕。磨粒除了原料的較小硬質(zhì)顆粒，如硅酸鹽外，還有摻雜在原料中的細(xì)小沙粒和鐵屑等。

　　3結(jié)論與建議

　　壓輥表面出現(xiàn)凹坑、劃痕，由于砂粒、鐵屑等硬質(zhì)雜質(zhì)對(duì)壓輥的磨損，屬于非正常磨損。表面平均磨損量約3mm，兩側(cè)磨損量不同，進(jìn)料一側(cè)磨損嚴(yán)重，磨損量為4.2mm。主要是由于進(jìn)料后，勻料器沒(méi)有來(lái)得及將物料分配均勻，就進(jìn)入了擠壓過(guò)程。

　　經(jīng)微觀磨損失效分析表明，由于原料對(duì)壓輥表面軸向的磨損，壓輥表面材料的缺失是失效的主要原因，主要磨損形式為黏著磨損和磨粒磨損，其形貌有韌窩、犁壟、犁溝等，表明原料中的硅酸鹽及沙粒、鐵屑等對(duì)壓輥表面磨損嚴(yán)重。由于水蒸氣等作用，壓輥表面出現(xiàn)泥狀花樣，導(dǎo)致壓輥表面產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。

　　原料粉碎前加除雜工序，將原料中摻雜的砂粒、鐵屑等除凈，防止對(duì)壓輥的非正常磨損。改變刮板形狀或安裝位置，使物料在壓制室均勻分布，防止壓輥受力不均，從而加劇壓輥表面的磨損。由于壓輥主要為表面磨損失效，為提高表面高硬度、耐磨損、耐腐蝕性，建議采用超音速火焰噴涂制備WC-12%Co涂層的表面熱噴涂的方法，提高壓輥的使用壽命，同時(shí)磨損后的壓輥仍可修復(fù)再使用。