李 浩

（長(zhǎng)江武漢航道工程局 武漢430014）

0 引 言

泥沙磨損是疏浚裝備過(guò)流部件普遍存在的問(wèn)題［1-2］，由于工作條件要求，過(guò)流部件必須要有較高的強(qiáng)度和韌性等性能指標(biāo)，通常采用普通結(jié)構(gòu)鋼材料如35SiMn等，致使過(guò)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(guò)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(wèn)題。通過(guò)在過(guò)流部件表面制備耐磨覆層的方法以解決過(guò)流部件泥沙磨損問(wèn)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(duì)其抗耐磨性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)解決疏浚裝備過(guò)流部件抗泥沙磨損性能及磨損部件的修復(fù)均具有理論意義和實(shí)用價(jià)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(wú)水酒精或丙酮清洗。

1.2 噴焊材料

噴焊材料為Ni60A+35%WC復(fù)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(xué)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(fù)合粉末，圖1為Ni60A+35%WC粉末SEM圖片。

表1 Ni60A主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?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(diǎn)為950～1 050℃，WC熔點(diǎn)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(shí)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(guò)多層噴焊，制備的覆層厚度為6 mm～8 mm。

2 覆層組織性能測(cè)試及分析

2.1 覆層組成物測(cè)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(fù)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(shù)枝狀晶覆層上分布著呈多邊形的固溶體組織，同時(shí)還有少量的體積相對(duì)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(jiàn)，界面結(jié)合部位的母材表面有一層低熔點(diǎn)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(wú)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(kuò)散作用，形成了冶金結(jié)合界面，進(jìn)而保證了覆層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。圖4（a）還可見(jiàn)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(cè)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(shí)驗(yàn)

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(gè)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(gè)ZG35SiMn（硬度 200 HB～220 HB）對(duì)比標(biāo)樣。

3.2 泥沙磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

標(biāo)樣材料為ZG35SiMn，試樣尺寸均為φ20 mm×20 mm。試樣在泥沙磨損實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)束后稱重前也要按上述步驟進(jìn)行洗凈、吹干。為了提高實(shí)驗(yàn)精度，試驗(yàn)前在泥沙磨損試驗(yàn)機(jī)上分別對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)磨0.5 h。

泥沙磨損實(shí)驗(yàn)在兩相四頭泥沙磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行［3-4］，試驗(yàn)參數(shù)：泥沙濃度為 70%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；沙質(zhì)為建筑黃沙（粒徑≤2 mm），試驗(yàn)中定期補(bǔ)充適量的新沙和水，試驗(yàn)?zāi)p面沖擊角為30°，試樣運(yùn)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(shí)間為2 h。

表4為35%WC/Ni60A覆層與標(biāo)樣ZG35SiMn相對(duì)耐磨性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表4 35%WC/Ni60A覆層泥沙磨損相對(duì)耐磨性實(shí)驗(yàn)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(guò)程中，覆層表面直接受熱源作用，受熱時(shí)間較長(zhǎng)，溫度較高，同時(shí)原料中WC顆粒粒徑較小，使WC發(fā)生了熔化、分解、氧化等過(guò)程，形成了W2C、WO、WB4等?；w相由熔點(diǎn)較低的自熔合金組成，這些熔點(diǎn)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(guò)程有關(guān)。在覆層制備的噴焊過(guò)程中，高溫火焰使熔點(diǎn)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(shí)間越長(zhǎng)，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(jiàn)圖2）。覆層材料中，WC顆粒采用了包鎳處理（見(jiàn)圖1），利于防止WC分解和氧化，也可減少WC的分層，對(duì)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(diǎn)的鎳基合金所浸潤(rùn)，形成了良好的冶金結(jié)合。

（3）泥沙磨損實(shí)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(qiáng)復(fù)合耐磨材料，由相對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，35%WC/Ni60A覆層具有較高的硬度（見(jiàn)表2和表3）和優(yōu)異的抗泥沙磨損性能（見(jiàn)表4）。

這種復(fù)合耐磨材料的泥沙磨損機(jī)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(guò)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(guò)程來(lái)看，由于基體的硬度遠(yuǎn)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(duì)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(hù)的同時(shí)，也為硬質(zhì)顆粒提供了良好的固定支撐?！瓣幱靶?yīng)”和“固定支撐”作用二者相互促進(jìn)，使覆層抗磨泥沙損性能得到顯著提高。

圖6為ZG35SiMn標(biāo)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(wú)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(wú)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(wú)WC顆粒存在。

（3）硬度測(cè)試結(jié)果表明：覆層宏觀硬度達(dá)HRC62.8，顯微硬度達(dá)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(yàn)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(duì)耐磨性是ZG35SiMn的6.72倍），其抗磨機(jī)理主要是硬質(zhì)相陰影保護(hù)作用。

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