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高能离子注渗碳化钨材料耐磨性分析 (中国表面工程2003.5)

赵天林 赵钢

    摘要:采用高能离子注渗技术向钢铁零部件表层注渗碳化钨(WC),碳化钨含量高的富集层厚度0.35mm,碳化钨注渗层总厚度1.2mm。这种注渗WC的材料耐磨性达到高速钢、热作模具钢及堆焊碳化钨材料的3-6倍。并对离子注渗碳化钨材料的耐磨机理进行分析。
关键词:离子注渗;碳化钨;高耐磨性;机理分析


引言
    采用离能离子注渗技术,将碳化钨(以下简称WC)注渗到钢铁零部件表层,形成高耐磨的WC注渗层。许多实际使用结果表明:高能离子注渗WC的零部件,其耐磨性达到高速钢、热作模具钢以及堆焊碳化钨材料的3-6倍。有关高能离子注渗WC材料及其耐磨机理还未见报道,需要对此问题进行深入的研究。

2.试验方法及结果

    对一般钢铁材料耐磨性的评价,可用耐磨试验机进行耐磨性试验,也可以硬度等数值进行间接表达。离子注渗WC材料由于高硬度WC颗粒的存在,在耐磨试验机上找不到合适的对磨轮,无法进行试验。采用相对磨损比较法,如用金刚石磨轮磨擦试验,得到的结果也不太真实。实践证明,离子注渗WC材料硬度不高仍有高的耐磨性,钢铁材料硬度与耐磨性对应关系的规律已不适用。因此,离子注渗材料的耐磨性只有以实际使用效果来确定。我们先后选择了三种代表性产品进行耐磨性对比试验。这三种产品为:1、高速线材轧制系统中的切分轮;2、高速热镦锻轴承环毛坯的凹模;3、水泥行业立磨护板。上述三种产品选用有关的钢材,进行机械加工,一部分按原工艺加工成成品,另一部分产品在热处理前,放在我公司自制的大型离子注渗炉中进行WC注渗。注渗后的产品经金相测定WC注渗层厚度1.2mm,其中WC富集层厚度0.35mm。然后两种不同工艺的产品在相同工况下进行耐磨性对比试验。这三种产品使用的工况和试验结果如下表:

三种产品耐磨性对比试验数据表

试验代号

I

II

III

产品名称

高速线材轧制系统切分轮

高速热镦锻凹模

立磨护板

工况

接触950-1000℃轧件,切刃表面线速度14.6m/s,有冲击力,间断水冷却

工件温度900-1000℃,镦锻压力8T/cm2,2次/s,冲击力大,间断水冷却

磨损介质:块状和粉状石灰石,产量:80T/h,气体送粉速度20m/ s

使用材料

高速钢

W6Mo5Cr4V2

中碳钢45#注渗WC

热作模具钢012Al

热作模具钢012Al注渗WC

低碳钢20#堆焊WC

低碳钢20#注渗WC

寿命

切Φ16螺纹钢1000T

切Φ16螺纹钢3600T

镦锻轴承环毛坯1.8万件

镦锻轴承环毛坯7.1万件

80天

500天

相对耐磨性

1

3.6

1

3.9

1

6.25


结果分析


    从上面三种产品相对耐磨性数据可知,尽管工况不同,相对耐磨性有些差别,但总体看,离子注渗WC的三种产品相对耐磨性均比原用材料有很大的提高。

3.1、不同材料耐磨试验结果分析

    试验I为不同材料切分轮的耐磨性比较。即45#钢基体注渗WC切分轮与高速钢切分轮进行耐磨性比较,其结果是离子注渗WC切分轮相对耐磨性为后者的3.6倍。该试验是在恶劣工况下进行的,切分轮的切刃接触的是950-1000℃的轧材,水冷却又使旋转中的切分轮处于交变急冷急热状态中,高速行进的轧件使切刃发生强烈磨损,切刃还要承受来自轧件的冲击载荷。过去为了解决这一难题,客户曾试验过在切分轮切刃表面喷涂和堆焊WC;变换不同合金钢种,采用不同热处理工艺方法生产切分轮,其使用效果都不理想。最终选用价格昂贵的高速钢,高速钢切分轮每对只能切分Φ16螺纹钢1000T左右,采用高能离子注渗WC技术,基体采用廉价的45#钢,也能切分Φ16螺纹钢3600T以上。取得了利用低价材料代替高价材料且耐磨性还高几倍的效果。

3.2、相同材料耐磨性试验结果分析


    试验II是相同材料(012Al)注渗与不注渗WC的两种凹模的耐磨性比较。该试验的工况比试验I还要恶劣,凹模处于交变的高温、高压、高冲击力的条件下使用。经实际观察,过去凹模失效形式主要是表面硬化层凹陷脆裂、掉块、使用面拉裂,所以该模具选用高级热作模具钢5Cr4Mo3SiMnVAl(012Al)制造。由于工况复杂,离子注渗WC使用的凹模基材仍用012Al。为了保证模具精度,注渗WC的模具工作面又进行了少量磨削,磨去一部分WC富集层。在工况条件完全相同,两种凹模材料又完全一样,经过多次反复试验,没有注渗WC的凹模平均寿命为1.8万件,注渗WC的凹模凹陷脆裂、使用面拉裂现象大大减少,使用寿命都在7万件以上,提高耐磨性3.9倍。

3.3、相同基材,不同工艺的WC材料耐磨试验结果分析


    试验III是基材相同(20#碳钢),堆焊WC与离子注渗WC的两种护板耐磨性比较。我国大型水泥企业多采用立磨粉碎生料。这些立磨大部分从丹麦等国进口,该立磨生料日粉碎量过千吨。立磨磨辊内外面均有护板,防止大颗粒物料溅射外溢,承受速度很高的气力输送粉料的磨擦,磨损很严重。过去都在厚14mm钢板上堆焊8-10mm的WC,使用寿命平均80天。现仍用相同厚度的钢板,改堆焊WC为离子注渗WC, WC注渗层1.2mm,其中WC富集层0.35mm。使用寿命达到500天,提高耐磨性6.25倍。

4、机理分析

    从上述试验结果分析可以看到,由于各种试验工况不同,不同试验的耐磨性数据不好直接比较。但有一点是相同的,就是所有试验都表明,离子注渗WC材料的耐磨性是出众的,它的耐磨性明显高于试验中的高速钢,热作模具钢及堆焊WC材料

4.1离子注渗WC材料耐磨性机理分析

    离子注渗WC材料为什么比本来就很耐磨的高速钢、模具钢、堆焊WC材料更耐磨呢,从高能离子注渗WC层的金相组织(见图1)和硬度分布曲线(见图2)来看,高能离子注渗WC的组织结构和硬度分布有着重要的特征。WC和钢基体两者是冶金结合,优势互补。表面具有WC的高硬度,高耐磨性。心部则保留了所选钢基体原来的硬度、强度和韧性。在表层与心部之间还存在一个性能渐变的梯度过渡区,有效地避免了性能突变时可能引起的材料破坏。

    无数离子轰击和注入,使注渗层内位错重新排列,形成许多小角度晶界、亚晶界,使注渗层内的基体晶粒得到细化。同时注渗WC层外来离子经过电子交换后,有的以晶体形式存在,有的则在晶体中某一个点阵中存在,引起许多晶格畸变。无数细小的WC颗粒又起到了弥散强化作用,使注渗层强度得到了大幅度提高。我们曾经做过2Cr13钢,注渗前后拉伸强度试验,采用拉伸试验标准圆柱试样进行,结果是离子注渗后的2Cr13试样拉伸强度比未注渗的2Cr13试样提高了50%以上。同样试样在800℃温度下进行拉伸试验,注渗后的2Cr13试样比未注渗的2Cr13试样拉伸强度高出1倍。注渗层强度的提高使WC颗粒在磨损时获得的支持能力大为增强,无疑耐磨性就增加了。

    已知金属疲劳裂纹都源于材料表面。而离子注渗产品的表面由于无数离子不断轰击已发生塑性变形,伴随产生的压应力能有效抑制裂纹萌生;同时,原来易萌生裂纹的各种位错及其它晶体缺陷,在离子注入时,由于外来原子钉札作用使滑移面受阻,又不易萌生裂纹;从图1看到,注渗层晶体细化了,而钢基体内还是原来的粗晶粒,即使注渗层产生了裂纹,内部粗晶体组织又能减缓裂纹的扩展。这就是说在离子注渗WC的同时提高了钢基体的疲劳强度。疲劳强度的提高又使WC颗粒因裂纹而崩落的危险大大减少。原工艺生产的切分轮和凹模,在高应力的交变载荷和冷热冲击的作用下,裂纹和崩裂是经常发生的。而注渗WC切分轮和凹模不产生裂纹和崩落的事实也间接证实了上述分析可行性。

综上所述

    WC注渗层耐磨性很高的原因有三条:数量众多,高度弥散分布的细小WC颗粒本身耐磨性高;钢基体对这些WC颗粒支持能力强;随着基体抗疲劳能力的增强,使WC的耐磨层又不易产生裂纹和崩落。三者综合作用的结果,宏观表现出来的就是耐磨性很高。由于离子注渗WC材料是一种新型材料,为什么具有如此高的耐磨性,还有待进一步从理论上加以系统研究

4.2、注渗WC比堆焊WC更耐磨的机理分析

    离子注渗WC和堆焊WC工艺都有是以高耐磨的WC为抗磨载体。堆焊层厚度通常在5-10mm,而离子注渗WC厚度只1mm多。为什么离子注渗的薄的WC层比堆焊的厚的WC层更耐磨呢?这需从WC层形成工艺,WC层组织结构加以说明。

    目前大面积堆焊WC的耐磨件大多数是手工氧-乙炔或电弧堆焊,人为因素较多,工艺参数控制不严,WC分解脱炭严重,WC层内存在较多的空隙和微裂纹,也存在很多缺乏金属粘接的WC聚合体。WC层与母体材料之间没有形成完全的冶金结合,宏观界面清晰可见(见图3)。高能离子注渗WC工艺是在真空条件下进行,对所有耐磨面都在相同条件同时注渗WC,所有工艺参数均由电脑控制。由于通过比纳米还小的离子进行注渗,在钢基体内的WC颗粒尺寸细小、数量众多、且高度弥散分布,WC与母体是冶金结合,梯度变化,没有宏观界面。由于堆焊和离子注渗WC的工艺不同,WC耐磨层宏观结构与微观组织不同,使它们抗磨损能力就表现出很大的差距。

    利用4.1所述离子注渗WC产品的耐磨机理,容易找到堆焊WC材料耐磨性不及注渗WC材料的原因。就是堆焊WC层中的WC由于工艺原因,分解脱炭严重,降低了WC本身的耐磨性。堆焊WC层中存在的孔隙、微裂纹及许多缺乏支持力的WC聚合体的存在,不但使堆焊层强度降低,削弱了对WC颗粒的支持能力,而且疲劳裂纹易在该处萌生、扩展,直至WC成块崩落。在上述各种不利条件影响下,使堆焊WC层的耐磨性大打折扣。而离子注渗WC材料则克服了堆焊WC层的许多缺点,充分发挥了WC本身的高抗磨本领,获得更加耐磨的效果。

5、结论     
     (1)、经过实际使用的试验证明,高能离子注渗WC产品耐磨性很高。它可在许多恶劣工况下使用,且使用寿命高于高速钢(W6Mo5Cr4V2)、热作模具钢(Cr4Mo3SiMnVAl),也高于堆焊WC的产品。


    (2)、高能离子注渗WC产品优异的耐磨性与它的生产工艺先进性,以及由此形成的独特组织结构有密切关系。离子注渗WC耐磨材料,具有高硬度、高强度、高疲劳强度等综合性能,使它的耐磨性能超群,成为工程界青睐的新型耐磨材料。

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