橡膠破碎機切刀熔覆層工藝探究

馬志濤

(哈爾濱博實自動化股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078)

1 前言

橡膠破碎機可以用來破碎天然橡膠和合成橡膠的生膠膠塊以及濕膠，為下游生產提供大小均勻、容易處理的顆粒狀膠甚至粉狀膠。近年來隨著國家逐步加大對資源回收利用的重視，大量的廢舊回收輪胎也需要采用橡膠破碎機來造粒或碎粉，以便再次應用到更多的領域。

切刀是橡膠破碎機的主要組成部分，國內除丁苯橡膠、順丁橡膠等基本膠種外，陸續也研發了各種特種橡膠。各種橡膠的硬度、彈性均有差別，考驗著切刀的硬度和耐磨性，并且各種橡膠生產工藝條件并不一致，尤其是濕膠破碎時物料會因酸堿性等原因對切刀造成腐蝕，最終影響切刀的壽命，客觀的也增加了使用工廠的經濟成本。為了將物料切割的更加均勻，切刀更加的耐磨，壽命更長，制造工廠均投入人力和物力在切刀的設計、制造以及安裝等方面層層把關，力求提升破碎機切刀的產品質量。本文借助金屬分析多種手段，探究了一種國外進口的橡膠破碎機切刀熔覆層工藝，以吸收國外的先進技術來提高國內切刀生產工藝水平。

2 試驗設備及試樣制備

試驗設備采用掃描電子顯微鏡，主要觀察熔覆層基體、熔合區、熔覆區的組織形貌。

試樣制備時用線切割機沿正垂直于熔覆層的方向切取12 mm×12 mm×10 mm(長×寬×高)的試樣，切割過程中要注意冷卻，以盡量降低金屬表面由于摩擦生熱而產生金屬內部的組織結構變化，同時確保試樣受力一致，以避免試樣在力的作用下發生不可逆形變[1]。將得到的試樣清理好，然后用砂紙磨制。磨制時注意砂紙要放置平整，試樣受力均勻。更換不同粒度的砂紙前要及時清理砂粒。更換砂紙后要將試樣旋轉一定角度，使得不同砂紙的磨痕清除，并磨掉變形的表層。

將磨制完成的試樣進行機械拋光處理，要求試樣磨面拋光時拋光液滴加均勻，受力均勻，直至其待磨面光亮、沒有加工痕跡為止。

向拋光完畢的試樣磨面滴加腐蝕劑，腐蝕后用蒸餾水和乙醇依次沖洗，再放入烘干箱中干燥。保證待觀察的表面清潔、干燥。處理完成后的試樣即可放到電子掃描顯微鏡下進行觀察。

3 結果與分析

3.1 電子掃描顯微鏡組織形貌觀察

由圖1可知，垂直熔覆層厚度28.0×100 μm；基體輪廓整體為外凸形，基本上沒有內凹的地方，基體形狀為凸時有利于減少裂紋。

圖1 熔覆層三區低倍電鏡掃描組織形貌

由圖2可知，組織相當不均勻，且有明顯的分區，同時可以看到基本上沒有氣孔等缺陷。可以推測出熔覆方法為電弧熔覆。

圖2 熔覆層三區中倍電鏡掃描組織形貌

由圖3可知，該處組織為很明顯的等軸狀組織和晶間已連成網狀共晶相組成。考慮到激光熔覆由于溫度高，能量集中的特點，組織多為柱狀，所以覆層的熔覆方式為電弧熔覆。

圖3 熔覆層三區高倍電鏡掃描組織形貌

研究表明，采用在金屬基體上預敷熔料，進行電弧熔覆的表面處理技術，使得基體獲得表面冶金強化，其硬度和耐磨性比基體有明顯提高[2]。

3.2 熔覆層中主要金屬的元素分析

熔覆層中主要金屬的元素分析如圖4～圖7所示。

圖4 熔覆層中Fe(鐵)的元素分析

圖7 熔覆層中W(鎢)的元素分析

由圖4 Fe(鐵)的元素分布可知：以熔合區為界，Fe元素在右側的含量較左側高很多；并且在圖4的最左側Fe仍有一定量的存在，說明此處仍然存在Fe對于Co基合金的稀釋。

由圖5 Co(鈷)的元素分布可知：以熔合區為界，Co元素在右側含量較高，右側僅僅由于原子的擴散在很短的距離內有少量的Co；并且在圖5可以看到隨著遠離熔合區，由于基體Fe的稀釋減少，Co的含量明顯在不斷增加。

圖5 熔覆層中Co(鈷)的元素分析

由圖6 Cr(鉻)的元素分布可知：熔合區左右都含有一定量的Cr，并且越往左側的Cr含量明顯升高，可以判斷熔覆層中的Cr含量(原子比)較Co基合金基體高；從分布來看，Cr元素有明顯的晶間析出的傾向，這是鈷基合金的同性。

圖6 熔覆層中Cr(鉻)的元素分析

由圖7 W(鎢)的元素分布可知：熔合區左側W的含量明顯高于右側，右側只是由于擴散含有較少；另外隨著遠離熔合區，由于基體的稀釋減少，W的含量明顯在不斷增加。

3.3 熔覆層能譜分析

（1）由圖8可知，熔覆區組織主要分為三個部分：高亮區域，黑色共晶組織以及灰色基體。

圖8 熔覆層能譜分析區域和分析點

（2）對三個部分進行初步的能譜定量分析，由表1中分析結果可知，標識1為高亮區域最亮處，主要組成成分為W、Mo、Si元素；標識2為黑色共晶組織主要組成成分為Cr元素的偏距，同時該處W元素的含量相較于灰色基體含量仍然較高；標識3為灰色基體，主要組成成分為Co、Fe、Cr三種元素。

表1 圖8中eZAF的智能定量分析結果

（3） 圖9采用高倍的形貌成像進行觀察，可以得到：黑色點一般與白色區域同時存在；黑色點為凹坑，結合亮處對的成分分析應該是由于碳化物硬度較高同時和基體結合不夠好，所以在試樣制備是脫落導致的，這也進一步佐證了亮處的W的碳化物這一觀點。

圖9 熔覆區高倍電鏡掃描組織形貌

圖10 熔覆區能譜分析區域和分析點

（4）針對圖9中采用高倍的形貌中取點進行能譜定量分析，由表2中分析結果可知：標記4亮處成分是由于W的偏析；標記6和7大塊的次亮處相比于標記5大塊基體仍有較多的W元素，初步判斷應該是該處含W的碳化物在后續熱處理中被基體溶解。

表2 圖10中eZAF的智能定量分析結果

（5） 針對圖11中熔覆區最外層取點進行能譜定量分析，由表3中分析結果可知：標記8高亮處仍然以W為主要偏析元素；標記10塊黑色區域以Cr為主要偏析元素且W也存在一定的偏析現象存在；另外還可以看出不僅高亮的W的碳化物也存在溶解現象，標記9晶間的Cr化物也存在溶解的現象，進一步佐證了熱處理的存在。

圖11 熔覆區最外層能譜分析區域和分析點

表3 圖11中eZAF的智能定量分析結果

（6）針對圖12中熔覆區最外層取點(增大放大倍數取點)進行能譜定量分析，由表4中分析結果可知：金屬元素含量與表3的分析結果趨勢一致。

圖12 最外層熔覆區能譜分析區域和分析點

表4 圖12中eZAF的智能定量分析結果

（7）研究最后對切刀基體和熔覆區最外層取點進行能譜定量分析，結果如表5所示。

表5 切刀基體和熔覆區最外層的智能定量分析結果

由表5中分析結果可知：

（1）基體材料的成分 材料為Fe基材料；可以看到切刀基體不存在Co以及W元素，同時Co以及W元素都是較難燒損的元素，即可以認為熔覆層中的Co和W元素的比例就是焊條中Co和W元素的比例。

（2）熔覆區最外層的成分 仍然含有10%左右的Fe元素，但已知Co合金中一般Fe的含量限制在2%以下，可以認為此處仍然不是100%的焊條材料：Co/W=47.95/4.01。

4 結論

（1）電子掃描顯微鏡組織形貌觀察，覆層的熔覆方式為電弧熔覆。

（2）熔覆層中主要金屬的元素分析表明，覆層為鈷基合金。

（3）電子掃描顯微鏡組織形貌觀察及相應的取點能譜定量分析得到，高亮的W的碳化物也存在溶解現象，晶間的Cr化物也存在溶解的現象，說明采用熱處理的加工工藝。

（4）熔覆層中的Co和W元素的比例即為熔覆的焊條中Co和W元素的比例，Co/W=47.95/4.01。