幾種表面耐磨工藝的磨料磨損實驗研究

馮 坤，李 毅，張東亞

(1.徐工集團江蘇徐州工程機械研究院，江蘇 徐州 221004；2. 高端工程機械智能制造國家重點實驗室，江蘇 徐州 221004)

幾種表面耐磨工藝的磨料磨損實驗研究

馮 坤1,2，李 毅1,2，張東亞1

(1.徐工集團江蘇徐州工程機械研究院，江蘇 徐州 221004；2. 高端工程機械智能制造國家重點實驗室，江蘇 徐州 221004)

采用表面堆焊工藝制備Fe-Cr-C、Fe-Cr-C-NbC兩組堆焊試樣，采用感應釬焊工藝制備YG8硬質合金釬焊試樣，對試樣的組織和耐磨性能進行了研究。結果表明，亞共晶Fe-Cr-C堆焊合金的顯微組織主要為馬氏體+共晶碳化物，其耐磨性較40Cr淬火鋼有一定提升。添加3%～5%的NbC后，堆焊合金層中形成大量彌散分布的塊狀NbC硬質相，阻礙了磨粒對基體的切削作用，其耐磨性是Fe-Cr-C堆焊合金層的3.3倍。YG8硬質合金硬度為1280HV，相對耐磨性為Fe-Cr-C堆焊合金的29.8倍，表現出極高的耐磨性。

Fe-Cr-C堆焊合金；NbC；硬質合金；顯微組織；耐磨性

0 前言

所謂磨料磨損就是硬的磨粒或凸出物在載荷作用下與工件表面相對運動，導致工件表面材料遷移和耗損的過程。工程機械設備在使用中常與泥砂、巖石、礦物等直接或間接接觸，易造成各種不同程度和類型的磨料磨損。在實際生產應用中，磨料磨損約占到整個磨損比例的1/2[1]。

為了控制和減少金屬材料的磨料磨損，除采用高錳鋼、低合金耐磨鋼、高鉻白口鑄鐵等耐磨材料外，采用表面技術，提高材料的表面耐磨性能也是一種常用的手段[2,3]。近年來，Fe-Cr-C耐磨堆焊合金、硬質合金等耐磨材料越來越多地應用于艱苦服役條件下的工程機械零部件，如挖掘機鏟斗、斗齒，破碎機襯板、刀板，泵車輸送管、眼鏡板等。本文對常用的表面堆焊Fe-Cr-C耐磨合金、表面釬焊硬質合金等耐磨處理工藝進行研究，分析了不同工藝方法的磨料磨損性能差異及原因，為工程機械零部件的耐磨工藝選擇提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

基體材料為20 mm厚的Q345鋼板，由等離子噴焊氣體堆焊設備進行表面堆焊。堆焊所用粉料由高碳鉻鐵、還原鐵粉、碳化鈮粉等混合而成，配制了Fe-Cr-C、Fe-Cr-C-NbC兩種堆焊粉末，其化學成分范圍見表1。堆焊工藝參數為：轉弧電流120～140 A;非弧電流20～30 A;送粉量25 g/min;縱向速度80 mm/min;自然冷卻，得到的堆焊層厚度約3 mm。

選擇YG8硬質合金進行表面釬焊，硬質合金片厚度20 mm，基體材料同為20 mm厚的Q345鋼板。采用Cu58MnZn釬料經感應加熱源加熱，實現硬質合金與基體材料的焊合。選擇40Cr淬火鋼(52.0HRC)作為標準對比樣塊進行比對試驗。

表1 堆焊層的化學成分

1.2 試驗方法

金相試樣經研磨、拋光后，采用維氏硬度機對不同樣品進行硬度測試，載荷9.8 N。維氏硬度測試完成后，再次對金相試樣進行研磨、拋光，分別用4%(體積分數)的硝酸酒精溶液、FeCl3溶液(5g FeCl3+50 ml濃HCl+100 ml純H2O)、10%氫氧化鉀溶液與10%鐵氰化鉀溶液的混合液對試樣進行浸蝕，利用金相顯微鏡進行顯微組織觀察。

耐磨性試驗采用MLS-225型濕砂橡膠輪式磨損試驗機，橡膠輪直徑178 mm、邵爾硬度60，載荷100 N，轉速240 r/min，砂漿比例為40～60目(250～425 μm)石英砂1.5 kg+1000 ml水。試樣先預磨1 000 r，洗凈并干燥后稱初重m1，后正式實驗1 000 r，同樣清洗吹干，稱重m2，(m1-m2)即為試樣磨損絕對質量損失Δm。用精度為0.1mg的電子天平稱重。

將試樣磨損表面清洗并干燥后，用掃描電鏡分析表面磨損形貌，用電子能譜儀對部分試樣的微區進行分析。

2 試驗結果與討論

2.1 硬度

不同樣品的顯微硬度和宏觀硬度結果見表2。Fe-Cr-C-NbC堆焊合金層的維氏硬度為686 HV，略高于Fe-Cr-C堆焊合金層的637 HV，兩者硬度均遠小于YG8硬質合金的1 280 HV。

表2 硬度試驗結果

2.2 顯微組織

樣品的顯微組織如圖1所示。

何良諸去過邊區所有的古墓場和古村落。北大坎煤礦那口豎井，有水沒水，有沒有月亮，他也要撈。沒有猴氣，成不了精。何良諸問：“趙師傅，琥珀銘文的事，你聽說過？”

圖1 不同試樣的顯微組織

可以看出，Fe-Cr-C堆焊合金的顯微組織為馬氏體+碳化物+殘余奧氏體。根據Fe-Cr-C合金三元相圖[4]可知，該堆焊層為亞共晶Fe-Cr-C合金，在凝固過程中，經共晶反應形成M7C3共晶碳化物，經包晶反應形成M3C碳化物。Fe-Cr-C-NbC堆焊試樣的組織中除馬氏體和細小的共晶碳化物外，其基體上分布著大量的多邊形塊狀硬質相顆粒，尺寸約2～5 μm。YG8硬質合金的組織包括α相(碳化鎢)+β相(粘結Co相)，多數WC相以規則幾何形狀呈現，說明在硬質合金燒結過程中，碳化鎢發生了明顯的再結晶，部分規則幾何形狀的WC相再結晶后尺寸粗大，約10～20 μm。

2.3 磨損性能

磨料磨損試驗結果見表3。以淬火態40Cr鋼為對比試樣，定義其相對耐磨性為1。

相對耐磨性ε為對比試樣的磨損量Δm1比試驗材料的磨損量Δm2。

表3 磨粒磨損試驗結果

可以看出，Fe-Cr-C耐磨堆焊合金的相對耐磨性為1.9，Fe-Cr-C-NbC耐磨堆焊合金的相對耐磨性為6.3，是Fe-Cr-C合金的3.3倍。YG8硬質合金的相對耐磨性為56.7，為Fe-Cr-C合金的29.8倍，Fe-Cr-C-NbC合金的9倍。

圖2為試樣表面磨痕的SEM形貌，可以看出，Fe-Cr-C耐磨堆焊合金層磨損表面存在較深的犁溝，以及少量材料剝落后留下的剝落坑，剝落坑形狀無規則，呈獨立狀態分布，其磨損去除機制主要為塑性變形引起的犁溝和切削，也有脆性材料的剝落形成凹坑而導致的材料去除。Fe-Cr-C-NbC合金的磨損表面的劃痕較淺，其磨損面裸露分布著大量的硬質相質點，尺寸約為2 ～5 μm，與組織觀察中彌散分布的硬質相顆粒尺寸一致，對這些裸露的硬質相顆粒進行EDS分析，點成分分析顯示，其主要元素質量百分數為：C(14.51%)，Nb(82.21%)，Cr(0.94%)，判斷其為NbC相。在YG8硬質合金的磨損表面，未觀察到明顯的切削痕跡，其磨損主要為WC硬質顆粒的開裂折斷及小顆粒硬質相的脫落。

試驗采用的Fe-Cr-C耐磨堆焊合金Cr含量較低，為一種亞共晶Fe-Cr-C合金，其組織主要為馬氏體+共晶碳化物，由于共晶碳化物尺寸較小，小于摩擦負荷所造成的劃痕尺寸，對耐磨性能的提升影響不顯著。在磨損試驗中，其相對耐磨性為1.9，較淬火后的40Cr鋼稍有提升。

圖2 磨損樣品的表面SEM形貌

加入一定量的NbC后，堆焊合金的硬度稍有提高，而耐磨性能大幅提升，相對耐磨性達到6.3，這與堆焊層中形成的彌散分布的NbC相有關。NbC相硬度較高，可達2 300 HV，能夠阻擋磨料對基體的切削，對基體起到了良好的保護作用。有研究表明，在復合材料的磨損過程中，隨著軟相的不斷磨損脫離基體，表面只剩下孤立的浮雕狀硬質相粒子，這些硬質相粒子可以起到屏蔽作用而產生所謂的“陰影效應”[5]。添加NbC后，堆焊合金層中形成了數量眾多且具有一定尺寸的塊狀NbC硬質相，“陰影效應”明顯，可顯著提高材料的耐磨性能。王智慧等[6]在過共晶Fe-Cr-C堆焊合金中添加少量NbC，發現堆焊合金層的相對耐磨性提高了60%，這是由于過共晶Fe-Cr-C堆焊合金組織中已存在一定數量尺寸較大的初生M7C3碳化物，繼續添加NbC硬質相粒子，“陰影效應”的屏蔽效果提升不顯著。

此外，NbC的加入可細化基體組織，提高了堆焊合金層的韌度，增強了材料抗裂紋形成、擴張的能力[6,7]，減少了磨損過程中因脆性材料剝落形成凹坑而導致的材料去除，這也是NbC增強Fe-Cr-C堆焊合金層耐磨性能提升的一個原因。

試驗中采用的石英砂硬度為莫氏硬度7，約1 000～1 100 HV。根據Richardson的理論[8]，當材料硬度與磨料硬度之比Hm/Ha≥0.8時，材料的磨損率急劇下降。YG8硬質合金的硬度較高，其Hm/Ha=1.16～1.28，且基體上分布著大量硬度極高的WC相，相對表現為一種軟磨料磨損工況，其抵抗磨料刺入程度的能力較強，磨損機制主要為WC相的脆性開裂和疲勞剝落，與Fe-Cr-C堆焊合金的顯微切削去除機制相比，材料的磨損大大減輕，表現出較高的耐磨性能。

3 結論

(1)亞共晶Fe-Cr-C堆焊合金的顯微組織主要為馬氏體+細小的共晶碳化物，其耐磨性能較40Cr淬火鋼有一定提升。

(2)添加3%～5%的NbC后，堆焊合金層中形成大量彌散分布的塊狀NbC硬質相，阻礙了磨粒對基體的切削作用，其耐磨性能達到Fe-Cr-C堆焊合金層的3.3倍。

(3)YG8硬質合金表面硬度達1 280 HV，磨損機制主要為WC相的開裂折斷和疲勞剝落，與Fe-Cr-C堆焊合金的顯微切削去除機制相比，表現出極高的耐磨性能。

[1] 劉俊英.淺談磨料磨損易損件的選材與應用[J]. 工程機械,2003(04):48-49.

[2] 楊紹斌,董偉,徐曉辰,等.Fe-Cr-C系堆焊耐磨材料的研究現狀與展望[J]. 材料導報，2012,26(02):96-99.

[3] 山紅偉.鈮含量對鐵-鉻-碳系合金碳弧堆焊層組織和耐磨性能的影響[J]. 機械工程材料,2016,40(03):35-38.

[4] Tabrett C,Sare I,Ghomashchi M. Microstructure-Property Relationships in High Chromium White Iron Alloys[J]. International Materials Reviews, 1996,41(02):59-82.

[5] 鄭開宏,高義民,陳亮,等.顆粒增強鐵基復合材料的三體磨料磨損性能[J]. 摩擦學學報,2012,32(02):176-182.

[6] 王智慧,賀定勇.NbC增強Fe-Cr-C耐磨堆焊合金組織與磨粒磨損性能[J]. 焊接學報,2007,28(02):55-58.

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[8] Richardson R C D. The wear of metals by hard abrasives[J]. Wear,1967(10):291-309.

設計計算

Study on abrasive wear resistant of several surface abrasionresistance treatment techniques

FENG Kun1,2, LI Yi1,2, ZHANG Dong-ya1

(1. Jiangsu Xuzhou Construction Machinery Research Institute, Xuzhou Construction Machinery Group, Xuzhou 221004,China; 2. State Key Laboratory of Intelligent Manufacturing of Advanced Construction Machinery, Xuzhou 221004, China)

Two groups of Fe-Cr-C hardfacing alloy and Fe-Cr-C-NbC hardfacing alloy were prepared by surface welding technology. The YG8 samples were prepared by induction brazing technology. The microstructure and abrasion wear-resisting property of different surface hardening treatment samples were studied. The results show that the microstructure of the Hypoeutectic Fe-Cr-C hardfacing alloy is mainly martensite and eutectic carbide, and its abrasion wear-resisting property is better than that of 40Cr quenched steel. After adding NbC to 3%～5%, a large amount of dispersed NbC hard phase formed in the surfacing alloy layer, which hinders the cutting action of the abrasive particles on the substrate, and its wear resistance is 3.3 times that of the Fe-Cr-C surfacing alloy layer. YG8 hardness is 1 280 HV, and the relative wear resistance is 29.8 times of the Fe-Cr-C surfacing alloy layer, showing a high wear resistance.

Fe-Cr-C hardfacing alloy; NbC; cemented carbide; microstructure; abrasion wear-resisting property

2016-09-12；

2016-11-18

馮坤(1986- )，男，江蘇徐州，工程師，碩士，主要從事耐磨材料及耐磨技術在工程機械上的應用研究。

TG135

A

1001196X(2017)00-0050-04