木屑颗粒机压棍和磨具磨损实验分析

针对木屑颗粒机压棍和磨具磨损的情况，济南金玉满堂机械与物理系陈教授做了专门的物理分析，分析的目的：为提高压辊的可靠性和耐用性，对磨损压辊进行宏观、微观和金相组织分析，探讨压辊磨损失效机理，为合理选择压辊材料和热处理工艺提供理论依据。

1、试验设备与方法

1.1试验设备

1.1.1磨损试验设备

磨损试验机采用济南金玉满堂机械SKJ350型木屑颗粒机，该机能够适应于玉米秸秆、棉花秸秆、小麦秸秆以及林业剩余物木屑等生物质原料。主要由机体、喂料装置、工作室和环模、压辊等构成，主要利用压模和与其相配的圆柱形压辊等部件成型。
  工作时，农作物秸秆、木屑等生物质原料由螺旋喂料装置喂入工作室内制粒。在工作室内，匀料板将调制好的原料分配到模具和压辊之间。电机带动压棍转动，通过模辊间的物料及其摩擦力使，将物料模具钳入、挤压，后成圆柱状从环模孔中被连续挤出来，再由安装在磨具外的固定切刀切成一定长度的颗粒燃料。

1.1.2试验原料
秋季成熟玉米秸秆。将玉米秸秆粉碎，粒度小于8 mm。自然风干或调湿处理，使水分控制在15%～20%范围内，装入密封袋备用。该试验将玉米秸秆直接压缩，不添加任何其他成分。

1.1.2磨损分析试验仪器设备及

北京时代TH320全洛氏硬度计，HITACHI S570Scanning Electron Microscope．电火花线切割机，砂轮，预磨机(砂纸200#-900#)，水平抛光盘(300～500 r/m，粗抛光时转速高，精抛光时转速低)，抛光布（粗抛光用帆布，精抛光用绒布），抛光液（Al203细抛光粉在水中的悬浮液），浸蚀剂（4%酒精溶液）等。

1.2试验方法

依据目前工厂正在使用压辊的材料及热处理方法，选用由45钢材料的压辊，压辊外径350 mm，内径146 mm，为提高耐磨性，延长使用寿命，进行表面渗碳处理，渗碳层厚度3 mm。渗碳后淬油处理。处理后压辊齿高5 mm，齿项宽5mm，齿沟宽2mm，齿间距8mm。以济南地区玉米秸秆为原料进行了生产试验，安装左右2只压辊进行生产试验，生产颗粒密度为1.2g/cm3，直径为8 mm的的米秸秆颗粒燃料，服役时间200h，2只压辊均出现了严重磨损，磨损层深度过压辊工作层厚度的70%，此时生物质固体燃料的成型率已下降到75%以下，我们认为其失效，此时压辊的攫取能力明显下降，出料速度降低，散料增多，外表面凹坑迅速增多。

在磨损失效的压辊上，线切割机切下3块小块试样，试样大小为10 mm×10mm×20mm，分别进行化学成分分析，硬度测试和微观磨损分析。其中，对*3块试样进行打磨、抛光、将样品放在真空镀膜机内，镀金处理后，用S-570扫描电子显微镜观察磨损部位表面的显微组织以及磨损形貌，分析其磨损机理和失效原因。

2、试验结果与分析

2.1 肉眼观察

压辊磨损量大且磨损不均匀，对其表面进行观察和测量，如图4所示。齿表面凸凹不平，并伴有一些划痕及凹坑。压辊齿磨损量在3 mm左右。

表明摩擦时压辊表面存在硬质磨粒使压辊表面局部塑性变形，磨粒嵌入、切割金属表面从而导致零件表面逐渐损耗，直至渗碳层儿乎消失。不仅粉碎的秸秆充当磨粒，原料中含有铁屑、砂粒等颗粒较大的硬质材料杂质，与压辊发生咬合，使压辊表面出现凹坑、划痕等。压辊磨损与环模内表面磨损机理基本一致，均有磨痕。

2.2压辊磨损失效分析

对压辊的齿面、齿**和齿沟进行磨损失效分析，以探明磨损机理及磨损原因。

2.2.1硬度测试

选用磨损量较小的一块试样，用TH320全洛氏硬度计对试样进行硬度测试，如图5所示，试样由表及里的硬度值分别为44.5、28.5、25.5、23.0和22.5 HRC。

2.2.2化学元素分析

对该试样进行样品的化学成分分析。元素含量符合45钢的成分要求。

2.2.3压辊截面金相组织分析

压辊的齿面、齿**与齿沟端面金相分析表明，表面没有过共析渗碳层，均已磨损。齿面、齿**与齿沟等不同部位的表层显微组织图。齿面部分尚留稍厚的马氏体层。而齿**和齿沟仅留不到50 Um的马氏体薄层，所有这些马氏体均系接近共析钢或亚共析钢的马氏体形态，即片状马氏体和板条状马氏体组成的混合组织。

表层以下的淬硬层为典型的板条马氏体。接下来由于进入试样深层，淬火冷却速度下降，出现托氏体网状析出。有些地方还出现羽毛状上贝氏体析出。心部有大量的铁索体析出。分析表明，该压辊并没有完全淬透，都是未淬透的表现，由于压辊火效主要足表面的磨损，心部对压辊失效的影响不大。

2.2.4压辊表面磨损形貌分析

齿**、齿沟部磨损面磨损形貌为黏着磨损形貌，表明表面的渗碳层已被磨损，试样的硬度不高，由于物料细小颗粒与压辊表面问实际接触面积很小，接触点应力很高，并且接触点温度非常高有时高达1000℃，甚**，而基体温度一般较低。压辊表面接触点处于这种高温和高应力状态下，使接触微峰产生黏着，出现挤压塑性变形。这主要由于秸秆原料中的硅酸盐和沙粒中的Si02、铁屑等杂质的细小颗粒擦伤压辊表面，致使表面发生咬合现象而产生了黏着磨损。

个别区域出现泥状花样，齿沟部泥状花样比齿**部加明显，表明所接触的原料有水分等介质，在压制过程中原料由于挤压而受热，原料中的水分蒸发变成水蒸气，金属从水蒸气中吸附氢而导致晶间应力腐蚀。同时细小沙粒落在金属表面形成缝隙而凝聚水分，形成氧浓度差也给压辊表面腐蚀创造局部条件，加剧了压辊的磨损。从磨损形貌中看出不仅有腐蚀产物，而且有应力腐蚀裂纹产生。

齿面部磨损面磨损形貌为黏着磨损形貌，有3种类型:伴随有韧窝的黏着磨损；伴随有犁垄的黏着磨损，较大硬颗粒挤压造成的犁沟及沟侧突起的沟邦随后被挤压变平，形成较大的沟垄；伴随有犁沟的黏着磨损。研究表明，除黏着磨损外，还存在磨粒磨损。主要是由于磨粒在压辊表面发生微观切削作用引起的，环模对压辊的法向载荷将磨粒压入表面，相对运动时磨粒对表面产生犁刨作用，形成磨痕。磨粒除了原料的较小硬质颗粒，如硅酸盐外，还有掺杂在原料中的细小沙粒和铁屑等。

3、结论与建议

压辊表面出现凹坑、划痕，由于砂粒、铁屑等硬质杂质对压辊的磨损，属于非正常磨损。表面平均磨损量约3 mm，两侧磨损量不同，进料一侧磨损严重，磨损量为4.2 mm。主要是由于进料后，匀料器没有来得及将物料分配均匀，就进入了挤压过程。

经微观磨损失效分析表明，由于原料对压辊表面轴向的磨损，压辊表面材料的缺失是失效的主要原因，主要磨损形式为黏着磨损和磨粒磨损，其形貌有韧窝、犁垄、犁沟等，表明原料中的硅酸盐及沙粒、铁屑等对压辊表面磨损严重。由于水蒸气等作用，压辊表面出现泥状花样，导致压辊表面产生应力腐蚀裂纹。

原料粉碎前加除杂工序，将原料中掺杂的砂粒、铁屑等除净，防止对压辊的非正常磨损。改变刮板形状或安装位置，使物料在压制室均匀分布，防止压辊受力不均，从而加剧压辊 表面的磨损。由于压辊主要为表面磨损失效，为提高表面高硬度、耐磨损、耐腐蚀性，建议采用音速火焰喷涂制备WC-12%Co涂层的表面热喷涂的方法，提高压辊的使用寿命，同时磨损后的压辊仍可修复再使用。