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合金保护层的硬度及其抗磨损机理

发布时间:2020-11-12

     无论采用何种“溶敷”或“等离子”等堆焊工艺手段,或是采用我公司研发的在机筒内孔离心铸造合金层的工艺手段,其目的都是在机筒和螺杆的工作表面增加一层合金保护层,这种经济而有效的提高金属零部件耐磨性能的方法已得到广泛的认可和应用。合金保护层耐磨损性能的好坏往往可以直观地用其“硬度”值来衡量,那么怎么来看待和分析这个“硬度”值呢?

     硬度是表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标,也可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形和反破坏的一种能力。在相同的条件下,即在相同的磨擦系数、成分、组织和环境等条件下,材料的硬度和其耐磨性能存在非线性的正比关系,硬度越高,材料耐磨性能越好。

     我们常用的硬度数值有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等,这些硬度数值的取得,都是需要以一定的载荷把一定大小的淬硬钢球,或者金刚石圆锥体(或方形锥)压入材料表面,保持一定时间后去载荷计算负荷与其压痕面积之比值,因此布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等均是在宏观的意义上反映材料的硬度,因此也常常被称之为“宏观硬度”。

     材料科学研究人员普遍认同的观点是,对大部分特种材料合金保护层而言,金属材料的耐磨损性能其实与材料的“显微组织”关系更大,而考察材料的显微组织,我们可以依据其“显微硬度”来判断,其测量数值例如可以用“莫氏硬度(或新莫氏硬度)”来判断,这是一种不加负荷装置的显微镜,可称之为“显微硬度计”。

     为什么判断合金保护层耐磨损性能我们需要采信于“显微硬度”呢?让我们先来看看早期耐磨损型铁基Ω101合金材料的构成特点。Ω101合金是一种铬Cr-镍Ni-堋B-硅Si-锰Mn系合金,在高温熔融条件下材料中的这五大元素液化相变后分别与碳原子结合,形成了碳化镍,碳化铬,碳化锰和碳化硅等各种不同种类的碳化物,同时还形成了不同种类的硼化物。这些被称之为“硬质相”的碳化物和硼化物的微小颗粒硬度非常高,是合金层抗磨损的中坚力量。熔融的材料在离心力作用下逐渐冷却而被复合于双金属机筒母材的内孔表面,形成了一层特殊的马氏体堋铸铁保护层。又例如早期专用于既耐磨损又耐腐蚀的碳化钨强化镍基Ω301合金,这是一种碳化钨占比高达35%的镍基铬Cr-硅Si-堋B-钴Co系合金,这些合金元素在相变后同样分别形成了占比不同的碳化镍,碳化铬,碳化硅和各类硼化物等,加上占比极大而硬度高达HRA92以上的陶瓷相碳化钨,Ω301合金层的耐磨损性能当然是无可怀疑的。

     镍基Ω301合金层的金相组织为枝晶状的镍基固溶体和枝晶间大量细小颗粒状化合物的共晶组织,其基相为Ni-Cr-Si系镍基固溶体γ相,硬质相为黑色点状(Fe. Ni)23C6及Cr的碳化物和堋化物,大量白色块状为未溶W2C和WC二种共晶混合物,这些硬质相具有显微组织细小和弥散程度高的特点,使基体得以弥散强化和晶界强化,而部分熔融的WC则可使镍基奥氏体基体得以固溶强化。正是这些硬质相对Ω301合金层材料的弥散强化,晶界强化和固溶强化,促使Ω301合金层刚性增强,具有了较高的宏观硬度和相应的极高的抗磨损性能。

     探讨挤出机的机筒螺杆磨损机理,我们可以分析到合金保护层内软质基相在先期的摩擦中首先被稍微多磨掉了一些,从而在各类“硬质相”的周边形成了一些空隙,这些空隙又正好容纳了业已发生流变的高分子材料,而这些材料在这个时候却起到了一定的“润滑”作用,形成了无数个对机筒螺杆使用寿命有利的“减磨熔池”。一旦这些“硬质”颗粒被强烈的摩擦力带走,这些“减磨熔池”因再无“立身之地”而消失。这个磨损状况周而复始地发生在机筒螺杆的二大类摩擦磨损中,即发生在螺杆螺棱顶部合金保护层表面与机筒内孔合金层表面的“接触摩擦”中,发生在螺杆螺棱不断把高分子材料挤压推向模头的相互“剪切摩擦”中,在这些摩擦磨损中双金属机筒和双金属螺杆的合金保护层不断减薄直至机筒螺杆最终失效。

     根据上述磨损机理的分析,我们可以确定的是合金层内上述各类碳化物和各类硼化物的硬质相占比越高,其抗磨损性能就越优异。然而在离心铸造工艺和各类堆焊工艺过程中,我们又不得不面对合金层成型温度难以掌控的困难。或温度稍高,或合金处于高温下的时间稍长,硬质相都会被无情地“烧损”,从而降低了这些硬质相的正常占比。或许有人会问,金属材料钨的熔点高达3380℃,不用担心高温下的被烧损吧?殊不知我们又遇到了另外一个挑战:材料钨的比重高达19.254克/厘米3,与比重仅为8.902克/厘米3的基材镍-铬合金相比较,碳化钨重了2.16倍,在离心铸造条件下,这些重量更大的碳化钨硬质相会向离心力相对较低的母材与合金层交界面转移,形成新的“硬质相偏析”,同样带来双金属机筒内孔工作表面硬质相占比减少的问题。

     无论是抗磨损类型的铁基Ω101合金层,还是既耐磨损又耐腐蚀的镍基Ω301合金层,我们了解了合金层硬度在极大程度上依赖于其碳化物和硼化物这些硬质相,了解了尤其是显微硬度对于材料抗磨损性能的影响,有助于我们采取恰当的工艺手段来提高合金保护层中各类碳化物和各类硼化物硬质相的占比,有助于我们有效地提升双金属机筒和双金属螺杆的使用寿命。


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