一般生產(chǎn)的耐磨板和耐磨環(huán),是以低碳鋼為基體,在其接觸表面用耐磨焊條堆焊一層耐磨材料而形成耐磨層,如圖2所示。表1所示為實(shí)際生產(chǎn)中使用的堆焊層的金屬成分,堆焊焊條牌號(hào)為D608(GBEDZ—A1 08)。
采用堆焊方法制作耐磨層,所需生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單,操作靈活,但堆焊時(shí)工件變形較大,易產(chǎn)生裂紋,質(zhì)量控制較困難,而且采用堆焊生產(chǎn)的耐磨板、耐磨環(huán)使用壽命較低,一般每輸送3 000~5 000m3混凝土即需要更換一次。因此,需要研究新的加工方法來提高耐磨板、耐磨環(huán)的使用壽命。
等離子噴焊工藝是一種先進(jìn)的表面強(qiáng)化技術(shù),等離子弧溫度高,能夠噴焊難熔材料,并且噴焊速度快,生產(chǎn)效率高。圖3為等離子噴焊示意圖,合金粉末由氣體輸送入等離子弧區(qū),在惰性氣體的保護(hù)下迅速熔化、噴焊于制備好的基體表面形成噴焊層。
2.1 等離子噴焊材料成分的分析
考慮耐磨板、耐磨環(huán)的耐磨層即要有高的硬度耐磨損,又要有一定的韌性抵抗剪切沖擊。所以我們選擇了在鎳基合金粉中加入一定比例的WC(碳化鎢)形成混合粉末,其化學(xué)成分見表2。
鉻在合金中具有多重作用,即可溶入固溶體成為合金的韌性基體,又可與碳、硼等元素形成第二相強(qiáng)化基體,增加噴焊層的耐磨性。硼和硅還具有自脫氧和造渣的作用。合金在熔化時(shí),合金中的硼和硅被氧化,并在噴焊層表面形成薄膜,防止合金中的元素被氧化,從而獲得氧化物含量低、氣孔少的噴焊層。WC作為硬質(zhì)相的加入,進(jìn)一步提高合金的硬度和耐磨性,以上合金元素的綜合作用可達(dá)到多重強(qiáng)化的目的。
2.2 等離子噴焊工藝
基體材料選用30號(hào)鋼,噴焊層厚度為3~3.5mm,噴焊時(shí)采用的合金粉末熔點(diǎn)為1 000~1 400℃。試樣采用的等離子噴焊主要工藝參數(shù)如表3所示。
2.3 試樣制備
在等離子噴焊后的試樣上截取10*10 mm的樣品,經(jīng)拋光后,用王水腐蝕,在OLYPUS光學(xué)顯微鏡下對(duì)樣品進(jìn)行觀察分析。
另外分別從噴焊和堆焊(焊條牌號(hào)為D608(GBEDZ—A1 08))試樣上截取尺寸為5*5*17(mm)的樣品,在M-200型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn),采用HR-1 50型光學(xué)洛氏硬度計(jì)對(duì)試樣分別進(jìn)行了硬度測(cè)試,按照試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)程序分組進(jìn)行測(cè)試,考慮到堆焊工藝的不穩(wěn)定性,堆焊和噴焊每組各選用3個(gè)樣品。
2.4 組織與性能分析
在顯微鏡下可清楚的看到基體材料(左邊)和噴焊層(右邊)之間有一條曲折的白亮帶即為熔合區(qū)(見圖4)。熔合區(qū)呈起伏狀,主要是由于基材表面和噴焊層之間元素存在濃度梯度,在熔化過程中相互擴(kuò)散形成的冶金結(jié)合層。從圖5可以見到噴焊層中WC硬質(zhì)點(diǎn),呈塊狀彌散分布在組織的基體上,WC的熔點(diǎn)較高(2 867 ℃),所以WC基本上能保留原來的形狀。X衍射分析表明,噴焊層的組織主要為 γ-Ni固溶體和Cr23C6、Cr7C3 等化合物。
等離子噴焊時(shí)合金元素一方面溶入γ 一Ni固溶體中,起到固溶強(qiáng)化作用;另一方面,在冷卻凝固過程中,C、B與Cr、Ni等元素形成NiB等化合物相,彌散分布在焊層基體上起到沉淀強(qiáng)化作用,加之WC硬質(zhì)相的存在,起到了多重強(qiáng)化的作用,使噴焊層具有抗磨料磨損的能力。分布均勻的硬質(zhì)相也能保護(hù)基體與磨料的直接接觸,減輕基體的磨損。這些共同作用使得噴焊層不僅具有較高的硬度還具有良好的耐磨性。從性能試驗(yàn)的比較可以看出等離子噴焊焊層的硬度及耐磨性都優(yōu)于堆焊樣品(見表4和圖6)。
2.5 使用效果
將利用等離子噴焊技術(shù)制作的耐磨板、耐磨環(huán)裝入混凝土泵中進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn),結(jié)果其混凝土輸送量超過8 000 m3,比采用堆焊的耐磨板和耐磨環(huán)使用壽命提高近兩倍,達(dá)到了預(yù)期的效果。
為了防止變形,在試驗(yàn)中我們還采用了對(duì)被噴焊的耐磨板加固定板;噴焊前對(duì)耐磨板基體預(yù)熱(預(yù)熱溫度在550~650℃);以及在噴焊過程中對(duì)耐磨板基體非噴焊區(qū)連續(xù)加熱等方法,盡量減少基體的溫度分布不均勻。為防止等離子噴焊后的應(yīng)力開裂,采用石棉保溫的方法緩慢冷卻。
3 結(jié)論
1) 用鎳基合金等離子噴焊的耐磨板和耐磨環(huán)具有較高的硬度和良好的耐磨性。比采用堆焊的耐磨板和耐磨環(huán)使用壽命提高近兩倍;
2) 等離子噴焊與傳統(tǒng)的堆焊相比減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了生產(chǎn)效率.
原作者: 畢大森 趙潤(rùn)嫻 張 建