硬质WC粒子增强镍基合金喷熔层耐磨粒磨损性能的研究.docx

研究论文( 202 207)硬质w c粒子增强镍基合金喷熔层耐磨粒磨损性能的研究谭业发王耀华(工程兵工程学院机械工程系 南京 210007)摘要 w c 粒子增强镍基合金复合材料具有良好的耐磨性能和广阔的应用前景. 为了更好地利用这种复合材料, 研究了硬质w c 粒子的尺寸、含量、几何形状和镍基合金的化学组成等因素对 喷熔层耐磨粒磨损性能的影响. 结果表明, 在给定的试验条件下, 当w c 粒子为球形, 质量分数 为 50% , 粒子的平均尺寸为 200 m 和镍基合金为n i60 时, 喷熔层的耐磨粒磨损性能最好. 关键词 复合材料 喷熔层 磨粒磨损磨损是导致工程材料失效的主要原因之一, 因而改善材料的耐磨性能, 以降低材料损耗, 一直是材料科学与工程界广泛重视的研究课题.但是, 耐磨性并不是材料的固有特性, 而是摩擦学系统及其所处工况等综合作用的结 果. 就磨粒磨损而言, 影响材料耐磨性能的因素有设计性能、工作条件、磨粒性能和材料性能等1. 作者仅从材料本身的诸因素出发, 对影响硬质w c 粒子增强镍基合金喷熔层耐磨粒磨 损性能的主要参数进行了分析研究与探讨.试验材料与方法选用的硬质相为w c 粒子, 其形状有球状和片状, 平均尺寸有 90 m , 125 m , 200 m 和 560 m 的 4 种. 选用的基体金属为镍基系列合金粉末, 分别是n i35, n i45, n i55, n i60 和 n i62, 平均粒度都是 100 m. 用q h 22/h 型氧2乙炔焰喷熔炬(上海焊割工具厂产) 将w c 硬 质粒子与镍基合金粉末均匀混合涂覆于除锈后的 45# 钢底材表面. 几种试样的化学组成及 硬度见表 1. 试样尺寸为 55. 5 mm 25. 0 mm 6. 0 mm , 其中喷熔层的厚度为 1. 5 mm. 喷 熔层与 45# 钢的界面为冶金结合, 磨削后喷熔层的表面粗糙度 r a = 0. 8 m.喷熔层耐磨粒磨损性能的试验研究在m l 2225 型湿砂橡胶轮式磨损试验机 ( 河北省宣 化产品) 上进行. 磨粒磨损试验示意图如图 1 所示. 橡胶轮的硬度为邵氏硬度 75, 转动速度 为 240 r/m in , 每次测试总转数为 1 000 r; 磨粒是尺寸在 224 400 m 范围内的广东新会石 英砂 (这是专为该试验机推荐用磨粒) , 磨粒与水的配比为 1. 5 k g 石英砂加 1 000 ml 水. 磨 损质量损失利用 t g328b 电光分析天平称量, 精度为 0. 000 1 g. 试样的磨损表面和磨屑均 用 s2520 (h ita ch i) 扫描电子显微镜进行观察与分析.1 1995202214 收到初稿, 1996204208 收到修改稿本文通讯联系人谭业发第 3 期谭业发等: 硬质w c 粒子增强镍基合金喷熔层耐磨粒磨损性能的研究203表 1 几种镍基合金的化学组成及硬度chem ica l com po s it ion an d hardn e ss of the n i- ba se a lloy s f or te sttable 1m a ss f rac t io n o f e lem en t s/%a llo yco deh a rdne ssh r cc rbs if ecc ucom own i1234101616162. 13. 03. 53. 52. 83. 54. 04. 5141414150. 150. 400. 800. 8035455560r e siduer e sidue r e sidue r e sidue103. 03. 0 5 16 3. 5 4. 0 14 1. 00 10 r e s idue 62 f ig. 1 t h e sch em a t ic d iag ram o f ab ra sive w ea r1. t e st p iece, 2. l o ad, 3. r ubbe r w h ee l, 4. m ixe r, 5. a b ra sive ho u se, 6. q ua r tz sand s and w a te r.图 1 磨粒磨损简明示意图1. 试样, 2. 载荷, 3. 橡胶轮, 4. 搅拌器, 5. 磨粒室, 6. 石英砂与水.试验结果与分析22. 1 镍基合金成分的影响图 2 给出的是在 3 种不同的载荷条件下磨损试验结果之对比. 在试验使用的 5 种试样 中, 硬质w c 粒子的质量分数均为 50% , 形状都是球形.由图 2 所示并结合表 1 列出的数据可以看出, 镍基合金的成分对喷熔层的耐磨粒磨损性能有重要影响, 特别是在三体磨粒磨损条件下, 由于磨粒能够自由或半自由地运动, 镍基 合金容易遭到磨损. 当镍基合金的硬度较高时, 而且在它与硬质w c 粒子的结合很牢固的 情况下, 镍基合金既可以起一定的耐磨作用, 又可以对w c 粒子优异耐磨性能的发挥起保 证作用, 这样的喷熔层的耐磨性能必然较好.例如, 在图 2 所示不同载荷条件下 5 种试样的磨损试验结果中, 硬度比较高的 4# 试样 (镍基合金为n i60) 喷熔层在 3 种载荷下的耐磨粒磨损性能都最好. 当镍基合金的硬度比较 低时, 很容易造成w c 粒子与镍基合金一起被磨粒犁削掉, 造成喷熔层材料的快速磨损 ( 例 如 1# 和 2# 试样). 但是, 硬度最高的 5# 镍基合金试样在 3 种载荷条件下的耐磨粒磨损性能 都 最差, 这是由于这种合金与硬质w c 粒子间的浸润性不好, 致使后者在基体中的固摩 擦 学 学 报第 16 卷204f ig. 2 inf luence o f n ick e l2ba se a llo y com po sit io n o n w ea r re sistance o f th e sp ray2w e ld ing co a t ing s unde r d iffe ren t lo ad s图 2 在不同载荷条件下镍基合金的化学组成对喷熔层耐磨粒磨损性能的影响定不牢, 容易发生w c 粒子脱落而加剧喷熔层磨粒磨损的缘故. 图 3 是 5# 试样所含w c 粒子脱落后, 喷熔 层磨损表面形貌的扫描电子显微镜 (sem ) 照片.w c 粒子尺寸的影响为了探讨硬质w c 粒子尺寸对镍基合金喷熔层 耐磨粒磨损性能的影响, 在试样成分的设计上突出了w c 粒子尺寸的变化 (详见表 2 所列). 图 4 所示是喷 熔层在不同载荷下的耐磨性能随着w c 粒子尺寸变化的试验结果. 可以看出, 在给定的试验条件下, 只有当w c 粒子的尺寸控制得当时, 喷熔层的耐磨性才 能最好. 因为在磨粒磨损过程中, 磨粒会优先对喷熔层中硬度比较低的镍基合金产生磨损. 随着磨损过程的进行,w c 粒子逐渐凸出在喷熔层表面而形成许多 微凸体. 由这些硬质w c 粒子所形成的微凸体表面可 以产生 2 种效应: 一是能够有效地将部分磨粒在喷熔 层表面的滑动摩擦和凿削变为滚动, 从而明显减轻了 磨 粒对喷熔层的磨损; 二是能够使部分磨粒在磨2. 2f ig. 3 sem p ho to g rap h o f th esp ray2w e ld ing co a t ing w o rn su rface m o rp ho lo gy af te r sp a lla t io no f w c p a r t ic le s(1 500)图 3 w c 粒子脱落后镍基合金喷 熔层磨损表面的 sem 照片 (1 500)表 2试样材料的质量分数组成table 2 m a ss f rac t ion com po s it ion of the spray- we ld in g coa t in g sco deo fm a ss f rac t io n o f n i2ba se a llo y /%w c p a r t ic les ize m a ss f ro c t io nsh ap ec r bs i f e c u c n i sam p le /m /% 14141412390125200505050b a llb a llb a ll1616163. 53. 53. 54. 04. 04. 03. 03. 03. 00. 80. 80. 83. 03. 03. 0r e siduer e siduer e sidue 4 560 50 b a ll 16 3. 5 4. 0 14 3. 0 0. 8 3. 0 r e s idue 第 3 期谭业发等: 硬质w c 粒子增强镍基合金喷熔层耐磨粒磨损性能的研究205损过程中对喷熔层表面起“填隙作用”而形成一层由磨粒组成的“自然保护层”2, 这 在一定程度上也可以提高喷熔层的耐磨 性. 分析认为, 在图 4 所示磨损试验结果 中, 含平均粒径为 200 m 的硬质w c 粒 子的镍基合金喷熔层在几种载荷条件下的 耐磨性都最好, 这与其表面在磨粒磨损过 程中更容易形成自然保护层密切相关.进行 sem 观察发现, 在硬质w c 粒 子的尺寸比较小 (例如 1# 试样所含w c 粒 子的平均尺寸为 90 m ) 的情况下, 磨粒可 以对喷熔层表面产生严重犁削, 所形成的 磨屑尺寸大都是w c 粒子 ( 参见图 5 中的 箭头 a 所指) 的 4 5 倍. 在这样的情况 下, 因为尺寸比较小的w c 粒子很难发挥 其保护喷熔层表面的作用, 故喷熔层的耐 磨 粒 磨 损 性 能 较 差. 但 是, 在 硬 质 w c 粒子尺寸很大 ( 如4# 试样中w c 粒子的平f ig. 4 inf luence o f w c p a r t ic le size o n th e w ea rre sistance o f th e sp ray2w e ld ing co a t ing s图 4 w c 粒子尺寸对镍基合金喷熔层耐磨性的影响均 尺寸为5 6 0 m ) 时, 由于在w c 粒子的含量一定的前提下有3f 1/2 = c d /. 式中: c 为统计常数, f 为硬质相的体积分数, d 为硬质相粒子的尺寸,为硬质相粒子之间的平均距离.因此, 当硬质相w c 粒子的体积分数一定时, 颗粒尺寸越大, 相互间的平均距离越大, 磨粒对镍基合金的“选择性”磨损 必然加剧, 于是在喷熔层的表面很难形成动态稳定的 “自然保护层”, 因而喷熔层的耐磨性能较差.2. 3 w c 粒子质量分数的影响制备了含硬质w c 粒子质量分数不同的 5 种试 样, 即 20% , 35% , 50% , 65% 和 80%. 所用w c 粒子的几何形状均为球形, 粒子平均尺寸都是 200 m. 图 6给出的是这几种镍基合金试样的耐磨粒磨损性能的试 验结果. 可以看出,w c 粒子质量分数对喷熔层耐磨性能的影响, 主要体现在磨粒粒度与w c 粒子之间平均距离的关系上. 当w c 粒子的尺寸一定时, 其质量分 数越大, 粒子之间的平均距离越小, 磨粒越不容易对镍基合金产生犁削, 而是从密排的w c 粒子的表面上滑 过, 故w c 粒子能有效地保护镍基合金喷熔层的表面f ig. 5 sem p ho to g rap h o f th e w ea rdeb r is m o rp ho lo gy co n ta in ingw c p a r t ic le s (1 000)图 5 含硬质w c 粒 子的磨屑形貌之 sem 照片 (1 000)并减小其磨损. 因此, 随着尺寸一定的w c 粒子质量分数的增大, 喷熔层的耐磨粒磨损性能提高 ( 如图 6 所示). 但是, w c 粒子的质量分数不宜太高 ( 如高于 80% ) , 这样不仅会导喷 熔 工艺性不好, 而且还会使镍基合金喷熔层中形成很多孔隙 ( 参见图7所示) , 致使w c 粒子摩 擦 学 学 报第 16 卷206f ig. 6 inf luence o f m a ss f rac t io n o f w c p a r t ic le s o n w ea r re sistance o f th en ick e l2ba se a llo y sp ray2w e ld ing co a t ing s图 6 w c 粒子的质量分数对镍基合金喷熔层耐磨粒磨损性能的影响固定不牢, 在磨粒的反复冲击作用下容易发生剥落, 反而会损害喷熔层的耐磨粒磨损性能.w c 粒子几何形状的影响为了考察硬质w c 粒子的几何形状对镍基合金喷熔层耐磨粒磨损性能的影响, 制备了 分别含球状和片状w c 粒子的 2 种试样. 其中,w c 粒子的质量分数均为 50% , 粒子的平均 尺寸都是 200 m , 镍基合金的化学组成参见表 2 所列, 试样的磨粒磨损试验结果如图 8 所 示. 可以看出, 含球状w c 粒子的镍基合金喷熔层的耐磨性能明显比含片状w c 粒子喷熔层的好. 分析认为, 用球状w c 粒子强化镍基合金的耐磨粒磨损性能之所以较好, 主要原因 有: 球状w c 粒子可以有效地将部分磨粒对喷熔层表面的滑动摩擦和凿削变为滚动, 这可显著地减轻磨粒对喷熔层的磨损; 球状w c 粒子的承 载能力比片状w c 粒子的好, 前者的断裂脱落明显 比后者的少 ( 作者曾经对这 2 种喷熔层磨损表面进 行过 sem 观察, 证明片状w c 粒子的断裂脱落比 球状w c 粒子的严重) ; 含球状w c 粒子的喷熔 层在磨损中容易形成表面自然保护层, 这能够增强2. 4其抗磨粒磨损的能力; 球状w c 粒子的流动性比片状粒子的好, 在进行氧2乙炔焰喷熔时容易形成高质量的致密喷熔层.f ig. 7 h o le s in th e n ick e l2ba se a llo y sp ray2w e ld ing co a t ing due to tooh igh m a ss f rac t io n o f w cp a r t ic le s (70)结论a.3硬质w c 粒子的尺寸对增强镍基合金喷熔层有一最佳值, 在本文试验条件下, 当粒子的平均尺寸为 200 m 时, 喷熔层的耐磨粒磨损性能最好.图 7硬质w c 粒子的质量分硬质w c 粒子的含量对镍基合金喷熔层b.数太高时喷熔层中形成的孔隙 (70)耐 磨粒磨损性能的影响很大, 其质量分数为5 0 %第 3 期谭业发等: 硬质w c 粒子增强镍基合金喷熔层耐磨粒磨损性能的研究207f ig. 8 e ffec t o f w c p a r t ic le sh ap e o n w ea r re sistence o f th e sp a ry2w e ld ing co a t ing s图 8 硬质w c 粒子的几何形状对镍基合金喷熔层耐磨性能的影响时, 喷熔层的耐磨性最好; 含球状w c 粒子的喷熔层耐磨粒磨损性能明显比含片状w c 粒子的好; 镍基合金与w c 粒子的结合强度越高, 喷熔层的耐磨粒磨损性能越好.致谢本工作得到中国科学院上海硅酸盐研究所丁传贤教授的大力帮助, 谨致衷心感谢.参考文献1 zum gah r k h. r e la t io n be tw een ab ra sive w ea r ra te and th e m ic ro st ruc tu re o f m e ta ls. p ro c in t co nf o n w ea r o f m a te2r ia ls (a sm e ) , m ich igan, 1979. 266 2742 w ang y h , t an y f. t h eo ry and p rac t ice o f“spo n taneo u s p ro tec t ive laye r”in so il cu t t ing. t e r ram ech an ic s, 1995, 32 ( 2) : 99 1043 zum gah r k h. h ow m ic ro st ruc tu re affec t s ab ra sive w ea r re sistance. m e ta l p ro g re ss, 1979, 116 ( 4) : 46 52s tud y o n w e a r r e s is ta nc e o f n i2b a s e a llo ys p ra y 2w e ld ing c o a t ing r e info rc e d b y w c p a rt ic le st an y efa w an g y ao h u a(m ech an ica l d ep a r tm en t n anj ing e ng inee r ing i ns t itu te n anj ing 210007 c h ina )t h e com po site m a te r ia l o f n i2b a se a llo y re in f