WC/Ni60A覆層抗泥沙磨損性能研究

李 浩

（長江武漢航道工程局 武漢430014）

0 引 言

泥沙磨損是疏浚裝備過流部件普遍存在的問題［1-2］，由于工作條件要求，過流部件必須要有較高的強度和韌性等性能指標，通常采用普通結(jié)構(gòu)鋼材料如35SiMn等，致使過流部件的抗泥沙磨損性能受到限制。如何大幅度提高疏浚裝備過流部件抗泥沙磨損性能一直是疏浚行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。通過在過流部件表面制備耐磨覆層的方法以解決過流部件泥沙磨損問題是一種較為有效的途徑。

本文在Q235A材料表面制備Ni60A+WC覆層，并對其抗耐磨性進行了實驗研究，對解決疏浚裝備過流部件抗泥沙磨損性能及磨損部件的修復均具有理論意義和實用價值。

1 WC/Ni60A覆層的噴焊制備

1.1 母 材

母材為Q235A，基體材料尺寸：100 mm×100 mm×16 mm，母材的待噴焊表面在噴焊前采用砂輪打磨去除表面氧化物再用無水酒精或丙酮清洗。

1.2 噴焊材料

噴焊材料為Ni60A+35%WC復合粉末，粒徑為37.4 μm～100 μm，其中Ni60A是鎳基自熔性合金，其主要化學成分如表1。WC顆粒表面包覆有金屬層，如鎳、鈷等。Ni60A+35%WC是金屬基陶瓷復合粉末，圖1為Ni60A+35%WC粉末SEM圖片。

表1 Ni60A主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

圖1 Ni60A+35%WC粉末SEM圖片

1.3 噴焊方法及工藝

噴焊材料中鎳基自熔性合金的熔點為950～1 050℃，WC熔點為2 720℃，采用噴焊熱源為氧-乙炔火焰噴焊，其熱源最高溫度為3 400℃，利于減少WC熔化分解及氧化等。

噴焊時為了防止母材和噴焊材料的氧化燒損，采用中性焰或弱碳化焰，工藝參數(shù)為：氧氣壓力為0.5 MPa、乙炔壓力 0.05 MPa、送粉量 0.6 kg/h、氧氣流量 55～60 L/min、乙炔流量 85～90 L/min。經(jīng)過多層噴焊，制備的覆層厚度為6 mm～8 mm。

2 覆層組織性能測試及分析

2.1 覆層組成物測試分析

圖2為35%WC/Ni60A覆層表面XRD衍射分析圖譜。由圖2可以看出，覆層呈現(xiàn)較為復雜的多相組織，以金屬碳化物及金屬硼化物居多。

2.2 覆層微觀形貌

圖3為35%WC/Ni60A覆層組織，圖3可以看出覆層組織為等軸晶和樹枝狀晶覆層上分布著呈多邊形的固溶體組織，同時還有少量的體積相對較粗大的碳化物或硼化物顆粒和針狀析出物（圖中灰白色部分）。

圖2 35%WC/Ni60A覆層表面XRD衍射分析圖譜

圖3 35%WC/Ni60A覆層組織

圖4為母材與覆層界面組織形貌。

圖4 35%WC/Ni60A覆層與基體結(jié)合界面

圖4（a）可見，界面結(jié)合部位的母材表面有一層低熔點合金形成的釬焊結(jié)合層，圖4（b）白亮層為母材與覆層結(jié)合界面，結(jié)合區(qū)完好無缺陷。在界面區(qū)，發(fā)生了母材金屬與覆層合金之間的相互作用，主要是金屬原子間的相互擴散作用，形成了冶金結(jié)合界面，進而保證了覆層與基體的結(jié)合強度。圖4（a）還可見到覆層中大量不規(guī)則的碳化鎢顆粒，由于碳化鎢具有較高的硬度，利于提高覆層的抗泥沙磨損性能。

2.3 覆層硬度

表2、表3分別為35%WC/Ni60覆層的宏觀硬度測試結(jié)果及覆層沿厚度方向的顯微硬度值。

表2 35%WC/Ni60A覆層的宏觀硬度/HRC

表3 35%WC/Ni60A覆層距結(jié)合界面不同距離顯微硬度

3 覆層泥沙磨損實驗

3.1 泥沙磨損試樣制備

用線切割在制備有Ni60A+35%WC覆層試板上沿厚度方向切割出兩個φ20 mm泥沙磨損試樣，磨平覆層表面，車去多余母材，將試樣加工成φ20 mm×20 mm的試樣，并加工出尺寸相同的兩個ZG35SiMn（硬度 200 HB～220 HB）對比標樣。

3.2 泥沙磨損實驗參數(shù)及實驗結(jié)果

標樣材料為ZG35SiMn，試樣尺寸均為φ20 mm×20 mm。試樣在泥沙磨損實驗前，應(yīng)先除去銹斑、油污等，再用清水、酒精或丙酮洗凈，吹干備用；磨損實驗結(jié)束后稱重前也要按上述步驟進行洗凈、吹干。為了提高實驗精度，試驗前在泥沙磨損試驗機上分別對試樣進行預(yù)磨0.5 h。

泥沙磨損實驗在兩相四頭泥沙磨損實驗機上進行［3-4］，試驗參數(shù)：泥沙濃度為 70%（質(zhì)量分數(shù)）；沙質(zhì)為建筑黃沙（粒徑≤2 mm），試驗中定期補充適量的新沙和水，試驗?zāi)p面沖擊角為30°，試樣運行線速度選為6.67 m/s，試樣依序四次換位，每30 min換位一次，總磨損時間為2 h。

表4為35%WC/Ni60A覆層與標樣ZG35SiMn相對耐磨性實驗結(jié)果。

表4 35%WC/Ni60A覆層泥沙磨損相對耐磨性實驗結(jié)果

4 分 析

（1）分析35%WC/Ni60A覆層表面XRD衍射分析圖譜（圖2）可以看出，覆層為多相組織，由硬質(zhì)相和基體構(gòu)成。硬質(zhì)相主要由金屬碳化物及金屬硼化物構(gòu)成，具有較高的硬度，是主要的抗磨相。圖2中未發(fā)現(xiàn)WC成分，可能是在覆層制備過程中，覆層表面直接受熱源作用，受熱時間較長，溫度較高，同時原料中WC顆粒粒徑較小，使WC發(fā)生了熔化、分解、氧化等過程，形成了W2C、WO、WB4等。基體相由熔點較低的自熔合金組成，這些熔點較低的自熔合金以釬焊連接的方式保證了覆層與母材的及硬質(zhì)相之間的良好結(jié)合。

（2）圖4可以看到不規(guī)則的未熔WC顆粒存在，覆層中WC分布并不均勻，在靠近結(jié)合面處WC較少，而在涂層中部較多，這些現(xiàn)象與覆層的多層制備工藝及加熱過程有關(guān)。在覆層制備的噴焊過程中，高溫火焰使熔點較低的鎳基合金先熔化。由于WC密度較大，在重力的作用下，形成分層，產(chǎn)生WC不均勻分布。單層噴焊層越厚，液相存在時間越長，這種不均勻性越明顯。覆層表面未發(fā)現(xiàn)WC相也與這種分層現(xiàn)象有關(guān)（見圖2）。覆層材料中，WC顆粒采用了包鎳處理（見圖1），利于防止WC分解和氧化，也可減少WC的分層，對提高覆層硬度和耐磨性能有利。從圖4還可以看到，母材表面及WC顆粒表面為低熔點的鎳基合金所浸潤，形成了良好的冶金結(jié)合。

（3）泥沙磨損實質(zhì)上是一種固液兩相流的磨粒磨損［5］。35%WC/Ni60A覆層是一種金屬基碳化物和硼化物顆粒增強復合耐磨材料，由相對較軟的基體和硬度較高的碳化物和硼化物硬質(zhì)相構(gòu)成。實驗結(jié)果表明，35%WC/Ni60A覆層具有較高的硬度（見表2和表3）和優(yōu)異的抗泥沙磨損性能（見表4）。

這種復合耐磨材料的泥沙磨損機理與單一材質(zhì)的均質(zhì)材料不同（如圖5泥沙磨損模型），在泥沙磨損過程中，由于作為硬質(zhì)相的碳化物、硼化物等具有比磨粒更高的硬度，可有效抵抗磨粒的沖擊和切削。

圖5 泥沙磨損模型

從泥沙磨損的過程來看，由于基體的硬度遠低于硬質(zhì)相碳化物、硼化物的硬度，基體金屬受磨粒尖角的切削作用優(yōu)先磨損下凹，硬質(zhì)顆粒逐漸凸起承受磨粒的沖擊和切削，而磨粒又以一定角度沖蝕磨損面，于是凸起的硬質(zhì)顆粒便產(chǎn)生了“陰影效應(yīng)”，處在“陰影”中的基體金屬被沖擊和切削的幾率減小，磨損程度減輕。而“陰影效應(yīng)”存在的前提是基體對硬質(zhì)顆粒的良好固定和支撐，因而基體材料在受到“陰影效應(yīng)”保護的同時，也為硬質(zhì)顆粒提供了良好的固定支撐。“陰影效應(yīng)”和“固定支撐”作用二者相互促進，使覆層抗磨泥沙損性能得到顯著提高。

圖6為ZG35SiMn標樣泥沙磨損形貌SEM照片。

圖6 ZG35SiMn鋼的泥沙磨損形貌SEM照片

由于其材質(zhì)硬度較低，可以看到明顯的磨粒切削所形成的犁溝而無特殊的 “陰影效應(yīng)”現(xiàn)象，而35%WC/Ni60A覆層硬度較高，且具有大量的碳化物、硼化物硬質(zhì)相存在，這些硬質(zhì)相具有比砂粒更高的硬度，圖7中35%WC/Ni60A覆層泥沙磨損形貌則無磨粒切削所形成的犁溝。

圖7 35%WC/Ni60A噴焊覆層橫截面顯微組織SEM圖片

5 結(jié) 論

（1）覆層界面顯微照片顯示采用火焰噴焊方法制備的35%WC/Ni60A覆層與母材形成牢固的冶金結(jié)合。

（2）XRD及微觀分析表明：35%WC/Ni60A覆層是鎳基合金基體和硬質(zhì)相組成的多相組織，其中硬質(zhì)相主要是由金屬碳化物及金屬硼化物構(gòu)成；由氧乙炔噴焊工藝制備的35%WC/Ni60A覆層中WC分布不均勻，覆層與母材界面處WC較少，覆層表面無WC顆粒存在。

（3）硬度測試結(jié)果表明：覆層宏觀硬度達HRC62.8，顯微硬度達HV1000以上，這是覆層具有優(yōu)異抗泥沙磨損性能的原因所在。

（4）泥沙磨損試驗結(jié)果顯示35%WC/Ni60A覆層具有優(yōu)異的抗泥沙磨損性能 （相對耐磨性是ZG35SiMn的6.72倍），其抗磨機理主要是硬質(zhì)相陰影保護作用。

［1］儲訓.水泵抗泥沙磨損抗汽蝕合金粉末噴焊的材料及工藝［J］.水泵技術(shù)，1999，（5）：16-22.

［2］房志良，杜學銘，張正華.高鉻鑄鐵抗泥沙磨損性能實驗研究［J］.船海工程，2007，36（5）：35-37.

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［5］杜學銘，施雨湘，李愛農(nóng).碳化鎢復合耐磨堆焊層泥沙磨損性能的研究［J］.武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2002，26（2）：161-164.