首頁 公司簡介 碳化鎢-鋼梯度耐磨材料 滲鍍二硅化鉬耐蝕耐熱材料 開發與研究 產品展示 材料的選取需知
                 
                   
                 
                   
                 
                 
                 
                 
                  江蘇省鹽城市建湖縣豐收西路裕豐工業開發區(建湖華星液壓元件有限公司院內)
                  趙 鋼 13031118687(微信)
                電子郵件:zhaogang863@163.com
                QQ:170522323
                  開戶行:中行北京空港萬科支行
                帳號:335056028016
                     

                高能離子注滲碳化鎢材料耐磨性分析 (中國表面工程2003.5)

                趙天林 趙鋼

                    摘要:采用高能離子注滲技術向鋼鐵零部件表層注滲碳化鎢(WC),碳化鎢含量高的富集層厚度0.35mm,碳化鎢注滲層總厚度1.2mm。這種注滲WC的材料耐磨性達到高速鋼、熱作模具鋼及堆焊碳化鎢材料的3-6倍。并對離子注滲碳化鎢材料的耐磨機理進行分析。
                關鍵詞:離子注滲;碳化鎢;高耐磨性;機理分析


                引言
                    采用離能離子注滲技術,將碳化鎢(以下簡稱WC)注滲到鋼鐵零部件表層,形成高耐磨的WC注滲層。許多實際使用結果表明:高能離子注滲WC的零部件,其耐磨性達到高速鋼、熱作模具鋼以及堆焊碳化鎢材料的3-6倍。有關高能離子注滲WC材料及其耐磨機理還未見報道,需要對此問題進行深入的研究。

                2.試驗方法及結果

                    對一般鋼鐵材料耐磨性的評價,可用耐磨試驗機進行耐磨性試驗,也可以硬度等數值進行間接表達。離子注滲WC材料由于高硬度WC顆粒的存在,在耐磨試驗機上找不到合適的對磨輪,無法進行試驗。采用相對磨損比較法,如用金剛石磨輪磨擦試驗,得到的結果也不太真實。實踐證明,離子注滲WC材料硬度不高仍有高的耐磨性,鋼鐵材料硬度與耐磨性對應關系的規律已不適用。因此,離子注滲材料的耐磨性只有以實際使用效果來確定。我們先后選擇了三種代表性產品進行耐磨性對比試驗。這三種產品為:1、高速線材軋制系統中的切分輪;2、高速熱鐓鍛軸承環毛坯的凹模;3、水泥行業立磨護板。上述三種產品選用有關的鋼材,進行機械加工,一部分按原工藝加工成成品,另一部分產品在熱處理前,放在我公司自制的大型離子注滲爐中進行WC注滲。注滲后的產品經金相測定WC注滲層厚度1.2mm,其中WC富集層厚度0.35mm。然后兩種不同工藝的產品在相同工況下進行耐磨性對比試驗。這三種產品使用的工況和試驗結果如下表:

                三種產品耐磨性對比試驗數據表

                試驗代號

                I

                II

                III

                產品名稱

                高速線材軋制系統切分輪

                高速熱鐓鍛凹模

                立磨護板

                工況

                接觸950-1000℃軋件,切刃表面線速度14.6m/s,有沖擊力,間斷水冷卻

                工件溫度900-1000℃,鐓鍛壓力8T/cm2,2次/s,沖擊力大,間斷水冷卻

                磨損介質:塊狀和粉狀石灰石,產量:80T/h,氣體送粉速度20m/ s

                使用材料

                高速鋼

                W6Mo5Cr4V2

                中碳鋼45#注滲WC

                熱作模具鋼012Al

                熱作模具鋼012Al注滲WC

                低碳鋼20#堆焊WC

                低碳鋼20#注滲WC

                壽命

                切Φ16螺紋鋼1000T

                切Φ16螺紋鋼3600T

                鐓鍛軸承環毛坯1.8萬件

                鐓鍛軸承環毛坯7.1萬件

                80天

                500天

                相對耐磨性

                1

                3.6

                1

                3.9

                1

                6.25


                結果分析


                    從上面三種產品相對耐磨性數據可知,盡管工況不同,相對耐磨性有些差別,但總體看,離子注滲WC的三種產品相對耐磨性均比原用材料有很大的提高。

                3.1、不同材料耐磨試驗結果分析

                    試驗I為不同材料切分輪的耐磨性比較。即45#鋼基體注滲WC切分輪與高速鋼切分輪進行耐磨性比較,其結果是離子注滲WC切分輪相對耐磨性為后者的3.6倍。該試驗是在惡劣工況下進行的,切分輪的切刃接觸的是950-1000℃的軋材,水冷卻又使旋轉中的切分輪處于交變急冷急熱狀態中,高速行進的軋件使切刃發生強烈磨損,切刃還要承受來自軋件的沖擊載荷。過去為了解決這一難題,客戶曾試驗過在切分輪切刃表面噴涂和堆焊WC;變換不同合金鋼種,采用不同熱處理工藝方法生產切分輪,其使用效果都不理想。最終選用價格昂貴的高速鋼,高速鋼切分輪每對只能切分Φ16螺紋鋼1000T左右,采用高能離子注滲WC技術,基體采用廉價的45#鋼,也能切分Φ16螺紋鋼3600T以上。取得了利用低價材料代替高價材料且耐磨性還高幾倍的效果。

                3.2、相同材料耐磨性試驗結果分析


                    試驗II是相同材料(012Al)注滲與不注滲WC的兩種凹模的耐磨性比較。該試驗的工況比試驗I還要惡劣,凹模處于交變的高溫、高壓、高沖擊力的條件下使用。經實際觀察,過去凹模失效形式主要是表面硬化層凹陷脆裂、掉塊、使用面拉裂,所以該模具選用高級熱作模具鋼5Cr4Mo3SiMnVAl(012Al)制造。由于工況復雜,離子注滲WC使用的凹模基材仍用012Al。為了保證模具精度,注滲WC的模具工作面又進行了少量磨削,磨去一部分WC富集層。在工況條件完全相同,兩種凹模材料又完全一樣,經過多次反復試驗,沒有注滲WC的凹模平均壽命為1.8萬件,注滲WC的凹模凹陷脆裂、使用面拉裂現象大大減少,使用壽命都在7萬件以上,提高耐磨性3.9倍。

                3.3、相同基材,不同工藝的WC材料耐磨試驗結果分析


                    試驗III是基材相同(20#碳鋼),堆焊WC與離子注滲WC的兩種護板耐磨性比較。我國大型水泥企業多采用立磨粉碎生料。這些立磨大部分從丹麥等國進口,該立磨生料日粉碎量過千噸。立磨磨輥內外面均有護板,防止大顆粒物料濺射外溢,承受速度很高的氣力輸送粉料的磨擦,磨損很嚴重。過去都在厚14mm鋼板上堆焊8-10mm的WC,使用壽命平均80天。現仍用相同厚度的鋼板,改堆焊WC為離子注滲WC, WC注滲層1.2mm,其中WC富集層0.35mm。使用壽命達到500天,提高耐磨性6.25倍。

                4、機理分析

                    從上述試驗結果分析可以看到,由于各種試驗工況不同,不同試驗的耐磨性數據不好直接比較。但有一點是相同的,就是所有試驗都表明,離子注滲WC材料的耐磨性是出眾的,它的耐磨性明顯高于試驗中的高速鋼,熱作模具鋼及堆焊WC材料

                4.1離子注滲WC材料耐磨性機理分析

                    離子注滲WC材料為什么比本來就很耐磨的高速鋼、模具鋼、堆焊WC材料更耐磨呢,從高能離子注滲WC層的金相組織(見圖1)和硬度分布曲線(見圖2)來看,高能離子注滲WC的組織結構和硬度分布有著重要的特征。WC和鋼基體兩者是冶金結合,優勢互補。表面具有WC的高硬度,高耐磨性。心部則保留了所選鋼基體原來的硬度、強度和韌性。在表層與心部之間還存在一個性能漸變的梯度過渡區,有效地避免了性能突變時可能引起的材料破壞。

                    無數離子轟擊和注入,使注滲層內位錯重新排列,形成許多小角度晶界、亞晶界,使注滲層內的基體晶粒得到細化。同時注滲WC層外來離子經過電子交換后,有的以晶體形式存在,有的則在晶體中某一個點陣中存在,引起許多晶格畸變。無數細小的WC顆粒又起到了彌散強化作用,使注滲層強度得到了大幅度提高。我們曾經做過2Cr13鋼,注滲前后拉伸強度試驗,采用拉伸試驗標準圓柱試樣進行,結果是離子注滲后的2Cr13試樣拉伸強度比未注滲的2Cr13試樣提高了50%以上。同樣試樣在800℃溫度下進行拉伸試驗,注滲后的2Cr13試樣比未注滲的2Cr13試樣拉伸強度高出1倍。注滲層強度的提高使WC顆粒在磨損時獲得的支持能力大為增強,無疑耐磨性就增加了。

                    已知金屬疲勞裂紋都源于材料表面。而離子注滲產品的表面由于無數離子不斷轟擊已發生塑性變形,伴隨產生的壓應力能有效抑制裂紋萌生;同時,原來易萌生裂紋的各種位錯及其它晶體缺陷,在離子注入時,由于外來原子釘札作用使滑移面受阻,又不易萌生裂紋;從圖1看到,注滲層晶體細化了,而鋼基體內還是原來的粗晶粒,即使注滲層產生了裂紋,內部粗晶體組織又能減緩裂紋的擴展。這就是說在離子注滲WC的同時提高了鋼基體的疲勞強度。疲勞強度的提高又使WC顆粒因裂紋而崩落的危險大大減少。原工藝生產的切分輪和凹模,在高應力的交變載荷和冷熱沖擊的作用下,裂紋和崩裂是經常發生的。而注滲WC切分輪和凹模不產生裂紋和崩落的事實也間接證實了上述分析可行性。

                綜上所述

                    WC注滲層耐磨性很高的原因有三條:數量眾多,高度彌散分布的細小WC顆粒本身耐磨性高;鋼基體對這些WC顆粒支持能力強;隨著基體抗疲勞能力的增強,使WC的耐磨層又不易產生裂紋和崩落。三者綜合作用的結果,宏觀表現出來的就是耐磨性很高。由于離子注滲WC材料是一種新型材料,為什么具有如此高的耐磨性,還有待進一步從理論上加以系統研究

                4.2、注滲WC比堆焊WC更耐磨的機理分析

                    離子注滲WC和堆焊WC工藝都有是以高耐磨的WC為抗磨載體。堆焊層厚度通常在5-10mm,而離子注滲WC厚度只1mm多。為什么離子注滲的薄的WC層比堆焊的厚的WC層更耐磨呢?這需從WC層形成工藝,WC層組織結構加以說明。

                    目前大面積堆焊WC的耐磨件大多數是手工氧-乙炔或電弧堆焊,人為因素較多,工藝參數控制不嚴,WC分解脫炭嚴重,WC層內存在較多的空隙和微裂紋,也存在很多缺乏金屬粘接的WC聚合體。WC層與母體材料之間沒有形成完全的冶金結合,宏觀界面清晰可見(見圖3)。高能離子注滲WC工藝是在真空條件下進行,對所有耐磨面都在相同條件同時注滲WC,所有工藝參數均由電腦控制。由于通過比納米還小的離子進行注滲,在鋼基體內的WC顆粒尺寸細小、數量眾多、且高度彌散分布,WC與母體是冶金結合,梯度變化,沒有宏觀界面。由于堆焊和離子注滲WC的工藝不同,WC耐磨層宏觀結構與微觀組織不同,使它們抗磨損能力就表現出很大的差距。

                    利用4.1所述離子注滲WC產品的耐磨機理,容易找到堆焊WC材料耐磨性不及注滲WC材料的原因。就是堆焊WC層中的WC由于工藝原因,分解脫炭嚴重,降低了WC本身的耐磨性。堆焊WC層中存在的孔隙、微裂紋及許多缺乏支持力的WC聚合體的存在,不但使堆焊層強度降低,削弱了對WC顆粒的支持能力,而且疲勞裂紋易在該處萌生、擴展,直至WC成塊崩落。在上述各種不利條件影響下,使堆焊WC層的耐磨性大打折扣。而離子注滲WC材料則克服了堆焊WC層的許多缺點,充分發揮了WC本身的高抗磨本領,獲得更加耐磨的效果。

                5、結論     
                     (1)、經過實際使用的試驗證明,高能離子注滲WC產品耐磨性很高。它可在許多惡劣工況下使用,且使用壽命高于高速鋼(W6Mo5Cr4V2)、熱作模具鋼(Cr4Mo3SiMnVAl),也高于堆焊WC的產品。


                    (2)、高能離子注滲WC產品優異的耐磨性與它的生產工藝先進性,以及由此形成的獨特組織結構有密切關系。離子注滲WC耐磨材料,具有高硬度、高強度、高疲勞強度等綜合性能,使它的耐磨性能超群,成為工程界青睞的新型耐磨材料。

                  北京市海淀區雙泉堡125號竹溪園D1-1206
                QQ:170522323

                聯系人:趙鋼 電話: 13031118687
                電子郵件:zhaogang863@163.com
                 
                備案序號:京ICP備06007420號
                 
                久香蕉影院网