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碳化钨注渗钢基高级耐磨合金产品(简称 WCP)

碳化钨注渗钢基耐磨产品(WCP

WCP是将WC注渗进钢基体表层内,改变了钢基表层内的成份和组织。WC与钢基体形成冶金结合,在表层中各自浓度成梯度变化,没有宏观界面,形成了特殊的组织结构(详见机理章中的图一,图二和图三),形成了一系列的特殊性能。

1、  神奇的耐磨性能 

结构钢、合金工具钢、不锈钢等金属材料,经过离子注渗WC改性后耐磨性都能提高3-15倍。结构钢中的Q235Q345通过注渗WC改性,其耐磨性比原Q235Q345钢都能提高4倍以上。低合金结构钢,如20CrMo20CrMnTi38CrMoAl40Cr42CrMo等,注渗WC后,都能提高使用寿命4-6倍,比渗碳热处理、离子氮化等改性钢以及贝氏体耐磨钢提高寿命三倍以上。合金工具钢(不含高速钢)如Cr29CrSiCr12Cr12MoV4Cr5MoSiV1等,注渗WC后使用寿命比原淬回火热处理工具钢的使用寿命提高4-15倍,比堆焊、喷涂、激光熔敷耐磨材料提高3倍以上。许多工况下,WC改性的工具钢则能代替高速钢,其使用寿命还比淬硬高速钢提高3倍以上。各种不锈钢注渗WC后,使用寿命有很大差别,奥氏体及双向不锈钢注渗WC后的使用寿命提高24倍;马氏体不锈钢注渗WC后使用寿命比该钢材热处理后的使用寿命提高4-10倍。不同的钢材注渗WC后硬度提高量不相同,有的钢材注渗WC后,硬度没有明显提高,耐磨性仍然很高。注渗WC钢基体选用有淬硬能力的钢材比不能硬化的钢材使用寿命更高。在能硬化的钢材中,硬化后基体硬度HRC>50,基体硬度越高,WC的抗磨本领就发挥得越充分,耐磨性越高。总之,不论什么钢材经过高能离子注渗WC后,耐磨性都有大幅度提高,由于表层有WC“盔甲”把关,使许多由表及里的磨损奈何不得!

经上千客户实际使用证明:在各种不同工况下,WCP都具有神奇的耐磨性能。在某些工况下,WCP的耐磨性介于价格昂贵的高速钢与硬质合金之间。它在耐磨材料的选择平台中已占有了重要位置。

2、较高的耐热抗磨性能

从低温到高温,可供使用的钢材有合金结构钢、合金工具钢、高速钢、不锈钢、耐热钢等。如果在高温下使用,还要承受剧烈的磨损,可供选择的耐热抗磨的钢材比较少。如Cr25Ni20Si2可耐热1000。但它在水泥回转窑的燃烧器中不耐磨。4Cr5MoSiV1,3Cr2W8V等可在800下使用,也有一定耐磨性,但在热锻模、压铸模、轧钢导卫轮中使用寿命又不高。WCP具有较高的红硬性、热强性和急冷急热稳定性,具有耐热又抗磨的双重功能。WCP在冶金烧结厂热筛、轧钢厂的导卫轮、水泥厂的燃烧器、铝金属压铸模、热锻模、高温风机叶片等方面已获得广泛应用。大量实践证明,与原用耐热钢材相比较,仍采用原用钢材注渗WC后,在800℃以下温度使用寿命可提高36倍,800-1000下使用可提高31倍。

3、杰出的综合力学性能

钢铁材料经过WC改性后,表层硬度的提高随所选钢基材不同而不同,硬度提高值在HRC3-10之间;耐磨性提高315倍。许多钢种表面硬度不提高耐磨性照样提高若干倍。改性层的抗拉强度平均提高50%以上;断裂强度、疲劳强度以及红硬性、热强性比钢基体都有大幅度提高。工件的韧性基本由所选钢基材决定的。因此WCP实现了耐磨性、强韧性、耐热性以及抗疲劳、抗冲击性的合理组合,对材料力学性能要求不同的抗磨零部件都具有广泛的性能适应性。

4、    普遍适用的工艺性能

WCP生产工艺是:以钢铁为原材料,经机械加工制造出各种形状的零部件,通过高能离子注渗技术,在这些零部件需要耐磨的表面注渗进WC,形成高耐磨的WCP

(1)          凡是钢材制成的零部件都能改性成WCP,耐磨性都能提高很多。WCP对钢基材选择范围更广,灵活性更大。还可用低级钢材代替高级钢材。

(2)          WCP的形状不受限制,工件尺寸范围较宽,特大型零部件可通过焊接组装生产。零件注渗WC的位置可按客户要求进行,对客户不需要抗磨的部位,可以少渗或不渗WC

(3)          零部件注渗WC时不破坏表面粗糙度,也不在外表面增加厚度。通常钢基材厚度在15mm以内就能达到高耐磨效果,减轻了磨损件的重量。原用堆焊、喷涂、激光熔敷工艺生产的零部件,如改用WCP,必须把零件尺寸放大到最终尺寸。

由于剧烈磨损面磨损很快,在设计时尺寸和形位公差就比较大,这些零件注渗WC后,注渗面无需精加工。对尺寸和形位公差要求很严的磨损面或其它组立装配面,可在注渗WC后进行少量精加工获得。对一些主渗面不加工,非主渗面必须在注渗WC后进行车削、铣削或螺纹等加工的,在注渗WC时对该零件不进行热处理硬化,待加工后再进行表面热处理硬化即可。

WCP主要用途  

碳化钨注渗钢基耐磨产品(WCP

WCP综合性能好,又特别耐磨。它适用于各种遭受强烈磨损的机电产品和机械设备,这些产品主要集中在冶金、建材、能源、化工、机械、轻工、交通、军工等行业。过去这些行业在强烈磨损场所找不到合适的耐磨材料,只好委屈求用,以数代质,寿命最短的只有几小时,寿命长的也不超过1~2年。这些机电产品的耐磨零部件改用WCP后,其寿命都提高了几倍到几十倍,效果令广大客户感到神奇。

一、 冶金行业:

WCP在冶金烧结系统的溜槽衬板、筛板、风机叶片、除尘弯管、刮刀;炼铁系统的受料漏斗、布料器、放散阀、喷煤管;轧钢系统的导卫轮、扭转辊、导卫板、切分轮、输送辊耐磨套以及矿山采掘、选矿、焦化系统的易损件中得到了广泛应用。如某公司日处理料万吨的400m2烧结机中的各种溜槽,原用16Mn板堆焊10mm耐磨层,使用寿命只有100天,改用16Mn注渗WC后,使用寿命提高到400天;某轧钢厂高速线材轧机线上的切分轮,原用W6Mo5Cr4V2高速钢制造,过钢量不到1500T,采用合金工具钢注渗WC,平均过钢量超过4500T;某轧钢厂原用导卫轮在第八架轧机使用,过钢量不超过5000T,改用注渗WC工艺后,第八轧机上导卫轮过钢量平均达到28500T

二、水泥行业:

水泥生产过程中,原料和燃料量大、物硬、速度快,设备磨损严重。设备中许多易损件零部件已改用WCP。如立磨扇形护板、导流护板、拉杆护套;辊压机中的布料器、挡料板、溜管;高效选粉机中的选粉壳体、叶片、撒料盘、旋风筒;燃烧器煤风管中的进煤管、上下壳体、耐磨套、内外喷头、菱形支撑板;中间料仓进出口溜槽、料斗;高速提升机、链斗机、取料机中滚动轴承、轴套;煤粉制造和输送系统的异径管、弯管;风机及收尘系统的弯管、楔形管、梯形板、高温风机叶片等。其使用寿命都比原用耐磨材料提高3-15倍。一般国产立磨的外护板,采用等离子堆焊耐磨层,使用寿命不到4个月,改用WCP使用寿命达到二年。高效选粉机叶片改用WCP后比原喷涂耐磨层的叶片提高寿命5倍。回转窑燃烧器的煤风管,改用WCP后比原来堆焊、喷涂的煤风管提高寿命3倍以上。

三、能源行业:

燃煤发电厂给煤机、排粉风机、引风机、燃烧器、收尘器、煤灰分级机、灰渣泵以及灰渣管道、阀门等;煤炭行业的煤矿掘进、采煤、输煤、洗选及煤炭深加工设备;石油行业的钻机、采油机、泥浆泵、井控机械等。这些设备都存在磨损快、寿命短的问题,需要采用新型耐磨材料进行更新换代。WCP为能源行业提供了新的高级耐磨材料的选择平台。如某电厂使用的耐磨球阀,改用WCP提高寿命4倍。煤矿坑道支护工程中使用的预应力锚索张拉设备中的锁片和刀片,过去为钢件渗碳处理,耐磨性不足,改用WCP后锁片和刀片寿命提高5倍以上。某采煤集团的采煤连采机截齿刀体,注渗WC后使截齿提高寿命4倍以上。某油田采油机轴套采用WCP后使用寿命提高5倍以上。

四、轻工行业

轻工行业的塑料、橡胶、陶瓷、玻璃、造纸、烟草、食品、家用电器、五金等机械中的许多零部件都需要耐磨,采用WCP后使用效果很好。工程塑料机械中的螺旋套、捏合块、热切模板、口模、粉碎机转子、切刀等零部件使用寿命都较低。如挤出机的螺旋套、捏合块原用合金钢或工具钢热处理,并经离子氮化改性,使用寿命较低,不少客户只好改用W6Mo5Cr4V2高速钢制造,使用寿命仍然较短。现在采用一般工具钢注渗WC,比高速钢制造的同类零件提高使用寿命4-6倍,制造总成本还下降30%。陶瓷行业中真空挤压螺旋、粉碎机转子、叶片、混合机浆叶等,改用WCP使用寿命提高3-10倍。如挤压螺旋原用耐磨钢热处理后使用寿命一个月,采用WCP使用寿命4-5个月。

五、通用机械行业

通用机械行业中耐磨阀门中的闸板、球体;耐磨泵中的叶轮、缸套、多级泵的轴套和平衡盘;耐磨风机和压缩机的叶片等等。由原来堆焊、喷涂、离子氮化等防磨工艺改为离子注渗WC,使用寿命提高了4-6倍。如某水泥厂使用的高温风机,由于存在粉尘磨损,使用寿命只有20-25天。改用WCP,使用寿命提高到90-100天。某公司的多级煤水泵的耐磨轴套改用WCP后比原堆焊耐磨层的轴套提高寿命4倍。

六、粉碎机械行业 

金属和非金属矿石、炉渣、水泥、粮食、废旧轮胎和塑料等固体物料份体化的主要手段仍然是机械粉碎方式。在各种各样的机械粉碎机中,磨损最快的是转子、动刀、锤片、刀片等零部件。这些易损件改用WCP后,使用寿命大大提高。如乙醇生产线上的胶体磨转子,选用9Cr18不锈钢制造,经淬火及离子氮化处理,使用寿命10-15天。改用WCP后使用寿命提高至50天以上。再把价高的9Cr18改为价低的3Cr13制造并经WC处理,每只直径450mm转子的制造成本减少上万元。某石灰石超细粉碎机中的刀片,原用高铬铸铁,平均使用寿命只有18小时,改用WCP后使用寿命提高到80-100小时。粉碎涂料和油漆的砂磨机分散盘和筒体,改用WCP后,使用寿命提高5-6倍。高效分级机的导流板改用WCP后耐磨性提高了4倍。

七、化工行业:

化工行业中的超细粉碎、打散解聚、超细分级机械;过滤、分离、均质、乳化机械;筛选、混合、捏合、造粒机械;提升、输送机械;风机、压缩机、泵类和阀门等普遍存在磨损或磨蚀问题。上述机械的磨损配件改用WCP后使用寿命提高了3-8倍。如某化工厂在磨蚀工况下使用的离心机,原采用304不锈钢制造,使用寿命不到10天。现改为注渗WC处理,使用寿命达到50天以上。某石化厂用的耐磨耐蚀轴套改用WCP后使用寿命提高6倍以上。

八、模具行业:

模具行业是一个消耗高级耐磨模具钢行业。铝压铸模、冷挤模、拉伸模、热锻模、耐火砖模等等,改用注渗WC处理后,寿命都有很大提高。如铝合金压铸模中浇口套,由于承受高速、高压铝液的冲击、冲刷和腐蚀,还周期性的经受加热和冷却。原用耐热模具钢热处理,再经渗硼或离子氮化改性提高耐磨性,使用寿命仍很短。改用WCP后使用寿命提高3-7倍。某公司冷挤模具,原用Cr12制造模具,每套只能生产500-700件,改用40Cr注渗WC后每套模具寿命达到1.5万件。某公司压制水泥砖模具改用WCP后提高寿命4倍。

九、其它行业:

动力、工程、交通运输、农业、航天、航空、军工等行业的许多需要防磨处理的零部件,凡改用WCP后,使用寿命都大幅度提高,得到了这些行业工程技术界的一致好评。

 

WCP耐磨机理分析

WCP为什么比现在广泛应用的堆焊、喷涂、离子氮化、真空熔结、激光熔覆产品以及工具钢、高速钢制造的产品更耐磨呢?需要对WCP的高耐磨性进行深入研究。以下的研究都以低碳钢为基体钢,以高能离子注渗WC进行表层改性。

图一、图二表明,注渗WC改性层硬度比基体钢硬度高很多,晶粒更加细化。在表层约0.5mm范围内,是注渗WC 的富集层,硬度高且变化不显著,再向内硬度才缓慢下降,表明这是一个明显的冶金结合过渡层。富集层及过渡层硬度提高、晶粒细化是由于钢基体经过WC注渗后,产生了许多空位、间隙和置换原子,形成高密度位错、过饱和固溶体,产生了弥散硬化,沉淀硬化以及析出强化所致。

从图三断口解理形貌可见,未改性的钢基体的断裂为塑性冷窝断裂。而改性层为非典型脆性断裂。它解理条纹密度较高,裂纹难以沿着一定晶体学平面进行,断裂路径不再与晶体位向有关,而与弥散的细小WC质点有关。在非典型脆断与韧断间有一个冶金结合较宽的过渡区,在过渡区中没有出现断裂方式的实变,这种结构非常有利于材料强韧性提高。

图四(b)比(a)多出了几条WC的特征谱线。图五透射电镜照片显示了WC主要以颗粒状相镶嵌在钢基体中,这都表明注渗进钢基中的WC元素形成了WC化合物。它使改性层的成份和组织结构发生了很大变化,从而提高了改性层的性能和耐磨性。

从图六场发射扫描电镜照片及线扫描能谱可以看出,在改性表层0.2mm深处,注渗形成的WC针状新相,宽只有100nm,长只有2μm,而形成的粒状新相尺寸更小,只有200-400nm。且弥散分布。图六(d)和(e)显示新相中有含量很高的WC元素,且C峰与W峰的增减呈对应关系。结合X射线衍射分析,可以推断出新相为碳化钨相。对针状碳化钨新相进行能谱分析,该相按重量百分数计,W41.36%C5.6%,余Fe。以原子百分数计,W13.78%C28.78%,余Fe

综上所述,注渗碳化钨改性层耐磨性很高,是因为该改性层中,具有数量众多、高度弥散、尺寸大小只有纳米级的粒状和针状碳化钨颗粒。这些高硬度的碳化钨颗粒除了自身抗磨外,还对钢基体具有固溶强化,沉淀硬化,析出强化和弥散强化作用,以弥散强化为主。这使改性层硬度提高,强度提高、耐高温性能和抗疲劳能力提高,使其碳化钨注渗改性层具有高耐磨的特征。

 

 
 

 

图一  低碳钢注渗WC后的硬度分布

 

    

a  富集层金相                   b  过渡层金相                   c  心部金相   

 

图二   低碳钢注渗WC后的金相

 

a                               b

图三  低碳钢注渗WC改性层(a)和心部(b)断口形貌


             a

            b

图四  低碳钢注渗WC前(a)和后(b)—χ射线衍射分析

 

 

a                                    b

图五  低碳钢注渗碳化钨改性层透射电镜明场(a)和暗场(b)照片

 

    

a 表层电镜照片               b 局部粒状电镜照片               c 局部针状电镜照片

 

    

      d 线扫描电镜照片                  e  A1-B1线扫描能谱              f  A2-B2线扫描能谱

 

图六  距表面0.2mm处电镜照片及线扫描能谱



 
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