提高混凝土泵耐磨板、耐磨環(huán)耐磨性的研究
2006-08-18 00:00
關鍵詞：耐磨性 等離子噴焊 鎳基臺金混臺粉末
混凝土泵是一種常用的建筑工程機械，利用混凝土泵可以將攪拌好的混凝土輸送至幾十米甚至上百米的高度?；炷帘脙炔坑袃蓚€柱塞缸，利用柱塞缸吸入混凝土再加壓輸送出去，如圖1所示。為了保證混凝土的連續(xù)輸送，兩個柱塞缸需輪換工作，當一個柱塞缸壓送混凝土（柱塞向前）時，另一個柱塞缸吸入混凝土（柱塞向后）。因此混凝土泵上的耐磨環(huán)要在耐磨板上不斷地換向滑動，每分鐘換向次數(shù)達數(shù)百次，換向速度達到0．2 m／s。由于輸送混凝土的壓力很高，要求耐磨板與耐磨環(huán)之間必須保證密封配合，但是由于混凝土中的砂粒、水泥等會滲入耐磨板與耐磨環(huán)的接觸表面，使得該接觸表面迅速磨損，無法密封，因此需經(jīng)常更換。由于更換需用時間較長，而且更換較困難，不僅影響混凝土泵的使用，還會使混凝土整體澆注質量下降。因此如何提高耐磨板、耐磨環(huán)的使用壽命是一個急需解決的問題。
1 利用堆焊方法制作耐磨層
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所示為實際生產(chǎn)中使用的堆焊層的金屬成分，堆焊焊條牌號為D608（GBEDZ—A1 08）。
采用堆焊方法制作耐磨層，所需生產(chǎn)設備簡單，操作靈活，但堆焊時工件變形較大，易產(chǎn)生裂紋，質量控制較困難，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。
我們采用等離子噴焊技術，在耐磨板、耐磨環(huán)的配合表面噴焊一層耐磨鎳基合金粉末，獲得了良好的使用性能。
2 等離子噴焊耐磨板、耐磨環(huán)的試驗研究
等離子噴焊工藝是一種先進的表面強化技術，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，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作為硬質相的加入，進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到多重強化的目的。
2．2 等離子噴焊工藝
基體材料選用30號鋼，噴焊層厚度為3～3．5mm，噴焊時采用的合金粉末熔點為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光學顯微鏡下對樣品進行觀察分析。
另外分別從噴焊和堆焊（焊條牌號為D608（GBEDZ—A1 08））試樣上截取尺寸為5*5*17（mm）的樣品，在M-200型磨損試驗機上進行磨損實驗，采用HR-1 50型光學洛氏硬度計對試樣分別進行了硬度測試，按照試驗的標準程序分組進行測試，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散形成的冶金結合層。從圖5可以見到噴焊層中WC硬質點，呈塊狀彌散分布在組織的基體上，WC的熔點較高（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。
等離子噴焊時合金元素一方面溶入γ 一Ni固溶體中，起到固溶強化作用；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化作用，加之WC硬質相的存在，起到了多重強化的作用，使噴焊層具有抗磨料磨損的能力。分布均勻的硬質相也能保護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制作的耐磨板、耐磨環(huán)裝入混凝土泵中進行工業(yè)試驗，結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，達到了預期的效果。
為了防止變形，在試驗中我們還采用了對被噴焊的耐磨板加固定板；噴焊前對耐磨板基體預熱（預熱溫度在550～650℃）；以及在噴焊過程中對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力開裂，采用石棉保溫的方法緩慢冷卻。
3 結論
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強度，提高了生產(chǎn)效率.
原作者： 畢大森 趙潤嫻 張 建
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