王昕

(大連橡膠塑料機(jī)械有限公司，遼寧 大連 116039)

密閉式煉膠機(jī)簡(jiǎn)稱密煉機(jī)，主要用于橡膠的塑煉和混煉。密煉機(jī)是一種設(shè)有一對(duì)特定形狀并相對(duì)回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、在可調(diào)溫度和壓力的密閉狀態(tài)下間隙性地對(duì)聚合物材料進(jìn)行塑煉和混煉的機(jī)械，主要由密煉室、轉(zhuǎn)子、加料壓料裝置、卸料裝置、傳動(dòng)裝置及機(jī)座等部分組成。密煉機(jī)工作時(shí)，兩轉(zhuǎn)子相對(duì)回轉(zhuǎn)，將來(lái)自加料口的物料夾住帶入輥縫受到轉(zhuǎn)子的擠壓和剪切，穿過(guò)輥縫后碰到下頂拴尖棱被分成兩部分，分別沿前后室壁與轉(zhuǎn)子之間縫隙再回到輥隙上方。在繞轉(zhuǎn)子流動(dòng)的一周中，物料處處受到剪切和摩擦作用，使膠料的溫度急劇上升，黏度降低，增加了橡膠在配合劑表面的濕潤(rùn)性，使橡膠與配合劑表面充分接觸。

近年來(lái)，隨著綠色輪胎的推廣使用，輪胎工業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求越來(lái)越高，煉膠中的高組份白碳黑占比逐步增加，用以提升輪胎的潤(rùn)滑性能，降低滾動(dòng)阻力[1]。白炭黑加入煉膠過(guò)程中發(fā)生硅烷化反應(yīng)，對(duì)關(guān)鍵零件及設(shè)備具有一定的腐蝕和磨損，這就需要混煉原件具有高耐磨性和耐腐蝕性能。

轉(zhuǎn)子是密煉機(jī)中用來(lái)混煉塑化膠料的攪拌器，是密煉機(jī)中的重要零件，對(duì)膠料性能和質(zhì)量產(chǎn)生重要影響[2]。轉(zhuǎn)子表面有螺旋狀突棱，突棱的數(shù)目有二棱、四棱、六棱等，轉(zhuǎn)子的斷面幾何形狀有三角形、圓筒形或橢圓形等，有剪切式和嚙合式兩類。

轉(zhuǎn)子一般用ZG35或ZG45鋼鑄造成空腔形，空腔內(nèi)采用通水冷卻循環(huán)來(lái)降低密煉室的溫度。

由于轉(zhuǎn)子工作時(shí)要承受較大的扭矩力及與膠料間的劇烈摩擦，膠料中白碳黑的加入會(huì)產(chǎn)生大量的水汽和乙醇，膠料中的其他添加物及其反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生酸性物質(zhì)，所以要求轉(zhuǎn)子本體要有足夠的工作強(qiáng)度和剛度的同時(shí)，轉(zhuǎn)子表面應(yīng)具備良好的耐磨和耐腐蝕性能[3～4]。為此，通常在其工作表面上堆焊耐磨合金層，工作棱峰表面硬度可≥55 HRC，側(cè)棱面硬度≥45 HRC；粗糙度Ra＞0.8。

由于市場(chǎng)上用于密煉機(jī)轉(zhuǎn)子表面堆焊的材料基本上為高鉻鑄鐵系列耐磨合金，堆焊層的厚度為4～6 mm，表面硬度為HRC55～60之間。其熔覆金屬的內(nèi)部組織為柱狀碳化物為強(qiáng)化相，提供耐磨特性。而對(duì)碳化物的組織狀態(tài)缺乏研究。本文在ZG35鋼基體上堆焊兩種特殊的高鉻鑄鐵合金材料，對(duì)堆焊層的組織形貌、硬度及摩擦磨損性能進(jìn)行分析，為后續(xù)的復(fù)合制造提供參考數(shù)據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試樣基體采用ZG35鋼，規(guī)格為200 mm×100 mm×30 mm。堆焊前先用機(jī)械加工去除基體表面鐵銹，露出金屬光澤，然后進(jìn)行堆焊。堆焊材料采用某公司生產(chǎn)的YD440和YD440Nb兩種明弧堆焊藥芯耐磨焊絲。為保證耐磨層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，特在基體與堆焊層之間增加一層過(guò)渡層，過(guò)渡層材料采用309 L奧氏體不銹鋼焊絲，堆焊厚度為1.5～2 mm。耐磨藥芯焊絲化學(xué)成分見(jiàn)表1所示，具體堆焊工藝參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表1 藥芯焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

表2 堆焊工藝參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

用苦味酸鹽酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，采用日本Olympus GX51型數(shù)字金相顯微鏡觀察金相組織。使用HVS-1000維氏硬度計(jì)對(duì)整個(gè)堆焊層橫截面進(jìn)行硬度梯度測(cè)試。采用MMU-5G磨損機(jī)進(jìn)行磨損測(cè)試，對(duì)磨材料為20#剛玉砂紙。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 堆焊層組織形貌

圖1是YD440堆焊層的組織形貌。從圖中可知，熔合區(qū)上半部分是母材熱影響區(qū)，下半部分是打底層，兩者融合良好，沒(méi)有出現(xiàn)分層現(xiàn)象。打底層呈細(xì)小束狀分布的奧氏體，由基體向工作層擴(kuò)散分布。蓋面層為過(guò)共晶組織，由初大的初生M7C3、共晶碳化物及共晶奧氏體組成。初生碳化物呈六方棱柱結(jié)構(gòu)，四周被細(xì)小的共晶碳化物呈網(wǎng)絡(luò)狀包圍。

圖2是YD440Nb堆焊層的組織形貌。由圖中可以看出，熔覆金屬中加入Nb后， Nb在結(jié)晶過(guò)程中首先消耗掉大量的碳原子，形成NbC硬質(zhì)相，起到阻礙晶粒長(zhǎng)大的作用，使得初生M7C3數(shù)量和尺寸都明顯小于未加Nb的組織。由此可見(jiàn)，通過(guò)增加熔覆金屬中的Nb含量，能有效細(xì)化高鉻鑄鐵的內(nèi)部組織。

2.2 硬度測(cè)試

圖3為兩種熔覆金屬的截面硬度曲線。由圖中可知，兩種熔覆金屬的表面硬度都在HRC60以上，越靠近基體，熔覆金屬的硬度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。在熔合區(qū)附近，其硬度也可以達(dá)到HRC40～45之間，說(shuō)明此兩種熔覆金屬都具有良好的硬度值。然而，由于在焊絲中加入了Nb元素，YD440Nb熔覆金屬的硬度要高于YD440的硬度，最高值可達(dá)到HRC65左右。這是因?yàn)閅D440Nb藥芯焊絲中加入的Nb能與C形成NbC花瓣?duì)畹挠操|(zhì)相，與原初生的Cr7C3硬質(zhì)項(xiàng)一起共同分布于共晶奧氏體上。從顯微組織中觀察也可以發(fā)現(xiàn)，細(xì)小碳化物均勻分布在奧氏體基體上，硬質(zhì)相的增加與晶粒細(xì)化共同作用的結(jié)果，使得熔覆金屬合金的整體硬度有著明顯提高。

2.3 耐磨性測(cè)試

圖4為兩種試樣的摩擦系數(shù)曲線圖。摩損磨損實(shí)驗(yàn)時(shí)，固定砂紙，試盤壓在其上并發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。試驗(yàn)采用的規(guī)范參數(shù)為：試驗(yàn)載荷為3 kg，剛玉砂紙20#，轉(zhuǎn)速為100 r/min，磨損時(shí)間為20 min。然后用千分之一分析天平稱量試盤磨損前后的質(zhì)量，計(jì)算每個(gè)試件的失重量，并進(jìn)行比較分析，結(jié)果見(jiàn)表3所示。其中1#為YD440堆焊試樣，平均硬度值范圍為HRC58～62；2#為YD440Nb堆焊試樣, 平均硬度值范圍為HRC60～65。

表3 磨損試驗(yàn)結(jié)果

從表3中可以看出，在同等磨損條件下，1#試樣的失重為0.0635 g，2#試樣的失重為0.0384 g，是1#試樣的0.6倍，說(shuō)明2#堆焊金屬材料的耐磨性能高于傳統(tǒng)的堆焊材料，這與材料的化學(xué)成分、金相組織和高硬度有關(guān)。Nb的碳化物提高耐磨性主要通過(guò)兩個(gè)方面：一方面Nb與C結(jié)合生成了NbC相，與初生相M7C3共同組建了抗磨骨架，使耐磨性得以提高，另一方面，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，NbC相對(duì)較軟的奧氏體基體上的整個(gè)表面上的均勻分配，減少了堆焊層剝離的可能性。

3 結(jié)論

（1）熔覆金屬中加入Nb后，形成NbC硬質(zhì)相，起到阻礙晶粒長(zhǎng)大的作用，使得初生M7C3數(shù)量和尺寸都明顯小于原始組織，能有效細(xì)化高鉻鑄鐵的內(nèi)部組織。

（2）加入Nb后的熔覆金屬的硬度比原來(lái)組織提高了5HRC，硬質(zhì)相的增加與晶粒細(xì)化共同作用的結(jié)果，使得熔覆金屬合金的整體硬度有著明顯提高。

（3）在同等磨損條件下，加入Nb的高鉻鑄鐵是原來(lái)的0.6倍，說(shuō)明加入Nb后形成的碳化物提高了熔覆金屬的耐磨性。