加砂水刀砂管材质的高技术特点.pdf

L 卫 具 l 蚕 蚕 圈 I 加砂水 刀砂 管材 质 的高技术特点 北京科技大学材料学院粉末冶金研究所 1 0 0 0 8 3 果世驹 北京纳佳硬材料技术有 限公 司 1 0 2 2 0 0 王卫 东王伟丽 北京三友镭射科技有限公司 1 0 2 2 0 0 熊志翔 国内切割行业中的加砂水刀是一个磨料水射流系 统 可以切 铣 钻 磨任何工程材料 如泡沫塑料 塑料 玻璃 水泥 公路表面 瓷砖 岩石 钢铁材 料 有色金属 高温合金 石油深井套管 飞机结构材 料 如钛合金 碳 一碳复合材料 先进陶瓷及各类复 合材料等 其切割与加工过程不发热 是真正的 冷加 工 但是 工作时 由于磨料 高压水和空气同时射流 冲刷 导致砂管迅速磨损 砂管的高成本 限制了加砂 水刀更快地大面积工业化应用 本文将从砂管的磨损模式开始讨论 着重介绍砂管 材质耐磨料冲刷磨损特性 分析国外先进砂管材质的材 料学特征及加工高技术特点 讨论新砂管材料开发的可 能方向 1 磨损特征 图 1显示典型的碳化钨 钻 WC C o 硬质合金砂 管在水压 3 1 0 MP a 下 石榴石磨粒流速3 8 m s 加速试验 3 h后 塞规测量和实际复型测量到的磨损量与砂管长度 关系的比较 由图 1可 以发现 砂管内孔不是线性磨 损 如果要保持出IS l 直径的均匀磨损 刀管的长度应当 大于 5 0 ra m o 2 砂管材质 国外在 2 0世纪8 0年代中期开始研发适合磨料水喷 比如以在加工中心上加工螺钉孑 L 及锪平台为例 无 论工件平台是否被基体管接头遮挡 刀杆都不用拆卸 可快速安装和拆卸刀头 无须扳手拧紧 操作简单 如 图6所示 编制程序先将工件上各螺钉孔钻加工至合 一 图6 格 再根据螺钉孔 D 以及平台直径 D 的大小 选择同 规格的反锪刀具 先将反锪刀杆夹在主轴上 对好长度 补偿 程序走刀穿过螺钉孔后停顿 将反锪刀头套人刀 杆 手动顺时针旋转一下即可安装到位 启动程序 主 轴旋转 刀杆带动刀头紧密贴合 反拉锪加工平台到尺 寸后 下移刀杆 停顿并停转 手动逆时针方向旋转一 下刀头 下移将其取出 即可完成拆卸刀头 接着启动 程序 刀杆提升并移至下 f L 位 套上刀头 重复上述 操作即可完成其余平台的反锪加工 通过实践证明 该套反锪台刀具特点如下 1 结构简单 定位精度高 通用性好 2 可快速加工 拆卸方便 不借助扳手等工具 提高了工作效率 降低了劳动强度 3 刀头强度提高 四刃切削 有效防止让刀现象 发生 提高了刀具使用寿命 4 加工的工件质量好 合格率高 适合批量生产 要求 这种反锪刀的设计体现了新的设计思想 打破常规 正面加工平台的局限 降低了反面锪台的加工难度又满 足了设计要求 带来了经济效益 值得推广 MW 收稿 日期 2 0 1 0 0 7 1 2 参磊 工冷 加 工 呈 笙 笠 呈 塑 WWW m e t a l wo r k in g1 95 0 c orn l I 刀 具 I C u tt i I I I I I I g 厶 图1 塞规测量和实际复型测量到的 WC C o 刀管的 磨损量与喷嘴长度的关系比较 射应用的硬质材料 在 1 9 9 1 1 9 9 2年完成基本工业定 型 筛选过的材料包括 标准碳化钨的一个牌号合金 WC一 6 C o 低钴超细硬质合金 WC一 0 5 C o x T a C或 T i C X 1 0 0 碳化硼 B C 碳化硼 一硼化钛复合材 料 B C T iB 和碳化钨 一碳化钼 WC M o C复合材料 R O C T E C 1 0 0 在 1 9 8 8年以前 没有材质经受得住磨料 水射流的强烈冲刷 1 9 6 0 年 在美国出现的磨料水射流 加工的专利发明不能成为工业化实践 1 9 8 8年 B o r i d e P r o d u c t s I n c 公 司采用 了 R O C T E C D B 1 0 0 现牌号 为 R O C T E C 1 0 0材质 按专利化的技术加工成砂管 其寿 命至少达到 8 0 h 于是 美国砂管寿命的工业标准就设 定为8 0 h 1 磨 粒磨损 文献采 用美 国材料试 验协 会 A S T M 的一些标准试验方法 对三种 材料进行了磨 粒 磨损对比试验 过程中分别采用了粒度为2 5 0 t r m的氧化 硅 4 0 0 1 m的氧化铝和 2 0 0 1x m或 5 0 1 m粒度的碳化硅 图2显示三种材质的磨损体积损失与磨料作用时间 的关系 由图 2可以看出 WC一6 C o在磨料的摩擦 g 蛙 图2 材料磨损体积与磨损时间的关系 由直线斜率可以导出材料磨损速率 下 5 mi n后就显 示出很 高的磨损 B C和 R O C T E C 1 0 0 C材质在4倍长的摩擦时间后 其磨损分别比WC一 6 C o 5 ra i n的磨损还低0 5和 1 5个数量级 扫描电镜 S E M 的摩擦表面形貌观察表明 其磨损机制是表层 l 冒呈 笪 塑 参 磊 工冷 加 工 WWW met a1 wor k in g1 95 n c om 颗粒的断裂剥离 而性能最好的 R O C T E C 1 0 0 C材质表 面比较光滑 是一种类似微犁沟磨损特征 2 B c系列材质B c在实验室的非冲击磨料摩 擦试验中并没有显示出高硬度的优越性 附表显示包括 B 4 C T iB 2 在内不同磨粒一水喷射流体三种砂管材质的 最长寿命 不同磨粒 一水喷射流体三种砂 管材质的最长寿命 砂管 内径 0 8 mm 长度 5 0 8 ram 砂管材质 磨粒 一水系统 最长寿命 h 橄榄石 一水 8 2 B C一 5 C w t 石榴石 一水 1 8 氧化铝 一水 1 5 橄榄石 一 水 4 5 6 0 B 4 C一4 0 T i B 2 v o 1 石榴石 一水 O 2 氧化铝 一水 0 1 橄榄石 一水 7 5 WC一 6 C o w t 石榴石 一水 1 0 氧化铝 一水 0 0 8 从表中可以看出 经等静压的自结合碳化硼 B C的 工作寿命无论对于哪种磨料水浆料 工作寿命最长 对 于石榴石 一水磨料系统向言 B C和 WC一 6 C o的工 作寿命大致相当 对于给定的砂管材质 磨粒硬度越 高 工作寿命越短 对于最硬的氧化铝磨料 B C的工 作寿命是 WC一 6 C o的 l 8倍 对于氧化铝 一水浆料喷 射而言 WC一 6 C o 材质没有使用价值 B C T i B 复 合材料尽管其断裂韧性高于 B C 但是它的工作寿命远 不及 B C 不能作为砂管材质使用 3 R O C K T E C 1 0 0材质专利化的 R O C K T E C 1 0 0 是优良的加砂水刀砂管材质 以石榴石为磨料时 其最 高寿命达 1 0 0 1 5 0 h R O C K T E C 1 0 0的成分主要为WC 没有金属 C o 这 是一种无金属粘结剂硬质合金 M o C与 WC的复合能 够在保证高硬度的同时增加复合材料的断裂韧性 图3显示了不同 M o c含量时复合材料的硬度和断裂 韧性 笔者对市场销售的 R O C K T E C 1 0 0刀管材质进行过 金相分析和力学性能测定 硬度为 2 2 0 0 2 3 0 0 k g h i m 断裂韧性 压痕法计算值 为 4 7 M P a m 用 x射线 衍射分析 发现该砂管材质是 W C和 q M o C的两相复 合材料 而且 一M o C的最强衍射峰的强度很大 与 WC的最强衍射峰强度一样大 显微组织的 S E M观察发 现 R O C K T E C 1 0 0没有孔隙 为全致密材质 其显微组 织是平均粒度为0 3 0 tx m WC颗粒均匀镶嵌在 一 Mo C的 基体上 1 1 一M o C相分布非常均匀 有类似于 c o的分 布 没有显示出孤立存在的颗粒形貌 一M o C相的 自 由程 两个 WC颗粒问的距离 在0 1 0 2 t x m 但是 观察到有零星很大的含 V Mo C元素的颗粒 尺寸在 0 2 0 8 tx m 分布凌乱 不像是有意 的添加 而 S E M 面成分的能谱分析也没有检测到 V元 素 表明即使添 加 量也极微 总体而言 这种显微组织表明 R O C K T E C 1 0 0材质必定有独特的制造工艺 0 2 6 0 0 g 2 5 0 0 矗 2 4 0 0 器 1 0 图3 用快速感应烧结制备的WC x w t M o C 硬材料的维氏硬度和断裂韧性 3 高技术特点 1 近纳米相特征R O C K T E C材质 WC的平均颗 粒尺寸为0 3 0 lx m 局部区域的 WC颗粒尺寸为 0 2 lx m 甚至小于 0 2 1x m 这表 明 R O C T E C材质具 有近纳米 相的 特征 2 致密化固结技术粉末固结的要求不仅是得到 无孑 L 隙的全致密的材质 而且还要保证不能使晶粒或颗 粒长大 这后一个要求 往往很难实现 特别对制造近 纳米相的大尺寸材料更是如此 在实验室规模上 国内 外风起云涌地采用昂贵的S P S S p a r k P l u s e S i n t e r i n g 加 压脉冲放电等离子烧结 技术 试图用短时间 高温 低压的方法得到全致密的纳米晶体材料 但是 该技术 目前只能成形固结很小尺寸的样品 离工业化生产还有 很大 的距离 专利化的R O C T E C材料是用一种称为快速全向压制 R a p i d O m n i d i r e c t i o n a l C o m p a c t i o n 技术制成的 它涉 及一系列其他专利发明 文献是一个制备高硬度高耐磨 材质成分体系的专利 WC Mo C是材料体系中的一种 c L 上 专利系统地介绍 了成分 温度 压 力 时间对合成 材质 的影响 快速全 向压制在一 台锻压 机上实现 外部 机械 力由特定的模腔和模具转变为等静压力 包套为特种玻 璃 在高温下呈半固态具有合适粘度流体作为传压介 质 冷等静压后的生坯在此包套中 预热 高温下短时 等静压制成为全致密的固结体 4 可能的发展方向 1 类金属碳化物B C是共价键 陶瓷 晶界 为弱 连接 很容易开裂 导致晶粒剥离 因而 它们即便有 高硬度 也很难在磨料水喷射条件下有耐磨 的高寿命 类金属碳化物如 WC Mo C就不同 作为单晶本身就可 以在高压 高温下显示某种类金属的塑性 多晶体粉末 烧结时 有扩散的快速通道 容易得到全致密材质 晶 界的强度 比共价键的陶瓷高 因而 在水磨料的冲击 下 颗粒不容易断裂 呈现微犁沟磨损 具有很强的耐 磨性 所以 要想得到高耐磨性的砂管材质 至少主要 成分应为类金属碳化物陶瓷 2 无粘结剂硬质合金 文献定义添加少量 c o 例如小于 1 w t C o的 WC C o可以称为无粘结剂硬质 合金 成分为WC一 3 T i C一2 T a N b C一0 2 5 或 1 0 C o 烧结后材质的 WC晶粒 的尺寸为 0 6 tx m 硬度分别为 2 4 4 0 k g m m 和2 2 1 0 k g m m 断裂韧性为 8 7 MP a m 和 8 5 M P a m 从数据上看 硬度并不低于出现在市场上 的 R O C K T E C 1 0 0材质 而断裂韧性却提高 5 4 5 超 细 0 6 lx m 无粘结剂硬质合金对 S i C磨粒冲刷磨损的 耐磨性最高 文献用 S i O 作磨料试验 也得到类似的结 果 可以说 超细无粘结剂硬质合金应当成为加砂水刀 砂管的良好材质 5 结语 1 加砂水刀砂管内孔的磨损是非线性磨损