馮 坤，李 毅，張東亞

(1.徐工集團(tuán)江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇 徐州 221004；2. 高端工程機(jī)械智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221004)

幾種表面耐磨工藝的磨料磨損實(shí)驗(yàn)研究

馮 坤1,2，李 毅1,2，張東亞1

(1.徐工集團(tuán)江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇 徐州 221004；2. 高端工程機(jī)械智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yīng)釬焊工藝制備YG8硬質(zhì)合金釬焊試樣，對(duì)試樣的組織和耐磨性能進(jìn)行了研究。結(jié)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(zhì)相，阻礙了磨粒對(duì)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(zhì)合金硬度為1280HV，相對(duì)耐磨性為Fe-Cr-C堆焊合金的29.8倍，表現(xiàn)出極高的耐磨性。

Fe-Cr-C堆焊合金；NbC；硬質(zhì)合金；顯微組織；耐磨性

0 前言

所謂磨料磨損就是硬的磨?；蛲钩鑫镌谳d荷作用下與工件表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致工件表面材料遷移和耗損的過(guò)程。工程機(jī)械設(shè)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(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，磨料磨損約占到整個(gè)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(shù)，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(lái)，F(xiàn)e-Cr-C耐磨堆焊合金、硬質(zhì)合金等耐磨材料越來(lái)越多地應(yīng)用于艱苦服役條件下的工程機(jī)械零部件，如挖掘機(jī)鏟斗、斗齒，破碎機(jī)襯板、刀板，泵車輸送管、眼鏡板等。本文對(duì)常用的表面堆焊Fe-Cr-C耐磨合金、表面釬焊硬質(zhì)合金等耐磨處理工藝進(jìn)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(jī)械零部件的耐磨工藝選擇提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)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(shè)備進(jìn)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(xué)成分范圍見(jiàn)表1。堆焊工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)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(zhì)合金進(jìn)行表面釬焊，硬質(zhì)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(jīng)感應(yīng)加熱源加熱，實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金與基體材料的焊合。選擇40Cr淬火鋼(52.0HRC)作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比樣塊進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)。

表1 堆焊層的化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方法

金相試樣經(jīng)研磨、拋光后，采用維氏硬度機(jī)對(duì)不同樣品進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷9.8 N。維氏硬度測(cè)試完成后，再次對(duì)金相試樣進(jìn)行研磨、拋光，分別用4%(體積分?jǐn)?shù))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(duì)試樣進(jìn)行浸蝕，利用金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。

耐磨性試驗(yàn)采用MLS-225型濕砂橡膠輪式磨損試驗(yàn)機(jī)，橡膠輪直徑178 mm、邵爾硬度60，載荷100 N，轉(zhuǎn)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(yù)磨1 000 r，洗凈并干燥后稱初重m1，后正式實(shí)驗(yàn)1 000 r，同樣清洗吹干，稱重m2，(m1-m2)即為試樣磨損絕對(duì)質(zhì)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(duì)部分試樣的微區(qū)進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 硬度

不同樣品的顯微硬度和宏觀硬度結(jié)果見(jiàn)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(yuǎn)小于YG8硬質(zhì)合金的1 280 HV。

表2 硬度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 顯微組織

樣品的顯微組織如圖1所示。

何良諸去過(guò)邊區(qū)所有的古墓場(chǎng)和古村落。北大坎煤礦那口豎井，有水沒(méi)水，有沒(méi)有月亮，他也要撈。沒(méi)有猴氣，成不了精。何良諸問(wèn)：“趙師傅，琥珀銘文的事，你聽(tīng)說(shuō)過(guò)？”

圖1 不同試樣的顯微組織

可以看出，F(xiàn)e-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(jù)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(guò)程中，經(jīng)共晶反應(yīng)形成M7C3共晶碳化物，經(jīng)包晶反應(yīng)形成M3C碳化物。Fe-Cr-C-NbC堆焊試樣的組織中除馬氏體和細(xì)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(zhì)相顆粒，尺寸約2～5 μm。YG8硬質(zhì)合金的組織包括α相(碳化鎢)+β相(粘結(jié)Co相)，多數(shù)WC相以規(guī)則幾何形狀呈現(xiàn)，說(shuō)明在硬質(zhì)合金燒結(jié)過(guò)程中，碳化鎢發(fā)生了明顯的再結(jié)晶，部分規(guī)則幾何形狀的WC相再結(jié)晶后尺寸粗大，約10～20 μm。

2.3 磨損性能

磨料磨損試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。以淬火態(tài)40Cr鋼為對(duì)比試樣，定義其相對(duì)耐磨性為1。

相對(duì)耐磨性ε為對(duì)比試樣的磨損量Δm1比試驗(yàn)材料的磨損量Δm2。

表3 磨粒磨損試驗(yàn)結(jié)果

可以看出，F(xiàn)e-Cr-C耐磨堆焊合金的相對(duì)耐磨性為1.9，F(xiàn)e-Cr-C-NbC耐磨堆焊合金的相對(duì)耐磨性為6.3，是Fe-Cr-C合金的3.3倍。YG8硬質(zhì)合金的相對(duì)耐磨性為56.7，為Fe-Cr-C合金的29.8倍，F(xiàn)e-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，F(xiàn)e-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(wú)規(guī)則，呈獨(dú)立狀態(tài)分布，其磨損去除機(jī)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(dǎo)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(zhì)相質(zhì)點(diǎn)，尺寸約為2 ～5 μm，與組織觀察中彌散分布的硬質(zhì)相顆粒尺寸一致，對(duì)這些裸露的硬質(zhì)相顆粒進(jìn)行EDS分析，點(diǎn)成分分析顯示，其主要元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：C(14.51%)，Nb(82.21%)，Cr(0.94%)，判斷其為NbC相。在YG8硬質(zhì)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(zhì)顆粒的開(kāi)裂折斷及小顆粒硬質(zhì)相的脫落。

試驗(yàn)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(fù)荷所造成的劃痕尺寸，對(duì)耐磨性能的提升影響不顯著。在磨損試驗(yàn)中，其相對(duì)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(duì)耐磨性達(dá)到6.3，這與堆焊層中形成的彌散分布的NbC相有關(guān)。NbC相硬度較高，可達(dá)2 300 HV，能夠阻擋磨料對(duì)基體的切削，對(duì)基體起到了良好的保護(hù)作用。有研究表明，在復(fù)合材料的磨損過(guò)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(zhì)相粒子，這些硬質(zhì)相粒子可以起到屏蔽作用而產(chǎn)生所謂的“陰影效應(yīng)”[5]。添加NbC后，堆焊合金層中形成了數(shù)量眾多且具有一定尺寸的塊狀NbC硬質(zhì)相，“陰影效應(yīng)”明顯，可顯著提高材料的耐磨性能。王智慧等[6]在過(guò)共晶Fe-Cr-C堆焊合金中添加少量NbC，發(fā)現(xiàn)堆焊合金層的相對(duì)耐磨性提高了60%，這是由于過(guò)共晶Fe-Cr-C堆焊合金組織中已存在一定數(shù)量尺寸較大的初生M7C3碳化物，繼續(xù)添加NbC硬質(zhì)相粒子，“陰影效應(yīng)”的屏蔽效果提升不顯著。

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

試驗(yàn)中采用的石英砂硬度為莫氏硬度7，約1 000～1 100 HV。根據(jù)Richardson的理論[8]，當(dāng)材料硬度與磨料硬度之比Hm/Ha≥0.8時(shí)，材料的磨損率急劇下降。YG8硬質(zhì)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(duì)表現(xiàn)為一種軟磨料磨損工況，其抵抗磨料刺入程度的能力較強(qiáng)，磨損機(jī)制主要為WC相的脆性開(kāi)裂和疲勞剝落，與Fe-Cr-C堆焊合金的顯微切削去除機(jī)制相比，材料的磨損大大減輕，表現(xiàn)出較高的耐磨性能。

3 結(jié)論

(1)亞共晶Fe-Cr-C堆焊合金的顯微組織主要為馬氏體+細(xì)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(zhì)相，阻礙了磨粒對(duì)基體的切削作用，其耐磨性能達(dá)到Fe-Cr-C堆焊合金層的3.3倍。

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

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設(shè)計(jì)計(jì)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(shù)在工程機(jī)械上的應(yīng)用研究。

TG135

A

1001196X(2017)00-0050-04