基于等離子堆焊技術(shù)的礦用截齒的耐磨性能研究

成 博， 張 巖， 石亦琨， 董 磊， 王洪福

(1. 中北大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院， 山西 太原 030051； 2. 首都航天機械公司， 北京 100076)

基于等離子堆焊技術(shù)的礦用截齒的耐磨性能研究

成 博1， 張 巖1， 石亦琨2， 董 磊1， 王洪福1

(1. 中北大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院， 山西 太原 030051； 2. 首都航天機械公司， 北京 100076)

針對目前礦用截齒的齒頭磨損在煤礦惡劣的實際工作環(huán)境中所造成的采煤效率低和開發(fā)成本高的現(xiàn)狀， 利用等離子堆焊的工藝方法， 在截齒表面制備了一種可以提高其耐磨性能的等離子堆焊涂層. 該方法以轉(zhuǎn)移型等離子弧作為熱源， 利用壓縮等離子弧瞬間產(chǎn)生的高溫使具有耐磨損性能的金屬混合粉末熔化， 與基體形成冶金結(jié)合， 可以獲得耐磨性更強的涂層， 進而提高零部件的耐磨性能及使用壽命. 通過對4種不同配比合金粉末的堆焊層的耐磨性能研究， 結(jié)果表明隨著合金粉末中TiC含量的增加， 該礦用截齒涂層的耐磨性能得到了明顯的提高.

礦用截齒； 磨損； 等離子堆焊； 耐磨性能； 合金涂層

礦用截齒作為采煤機械上用來割煤、 鑿巖的刀具， 其質(zhì)量和機械性能的優(yōu)劣直接影響著采煤效率和開發(fā)成本[1]. 在煤礦惡劣的工作環(huán)境下， 截齒的失效比較嚴(yán)重， 當(dāng)采煤機截齒失效后， 必須進行修復(fù)或更換[2]. 研究表明， 礦用截齒的主要失效形式有： 磨損、 崩刃及碎裂、 合金斷裂[3-4]， 其中磨損失效是齒頭失效的最主要形式， 約占70%以上. 目前國內(nèi)外通常采用等離子噴涂、 激光熔覆等方法來提高截齒的使用壽命[5]. 其中等離子噴涂工藝得到的涂層屬于機械結(jié)合， 結(jié)合強度較低， 激光熔覆工藝的溫度過高導(dǎo)致基體變形大. 因此， 為了能夠節(jié)省采煤成本， 減緩采煤機截齒的失效， 提高采煤效率， 減少能耗， 并提出相應(yīng)的改進措施來提高截齒的壽命具有重要意義[6-7].

在生產(chǎn)實際中， 沖擊磨料磨損[8]是一種特殊的磨損方式,它是沖擊及滑動磨料磨損兩個過程的復(fù)合， 兩者缺一不可. 其過程是： 在沖擊瞬間， 上試樣以一定的高度自由下落與被磨料覆蓋的正在旋轉(zhuǎn)的下試樣碰撞并產(chǎn)生相對滑動； 當(dāng)沖擊結(jié)束時， 上試樣被提起一定高度脫離下試樣進入下一次沖擊磨損過程， 如此往復(fù)循環(huán)形成持續(xù)運轉(zhuǎn)的沖擊磨料磨損. 在磨損的所有分類中， 沖擊磨料磨損工況極其惡劣,在該工況下工作的零件磨損嚴(yán)重， 容易失效損壞， 使用壽命較短[9].

近年來， 發(fā)展了一種新的等離子堆焊工藝方法[10-11]， 在基體材料表面按照要求制備一定厚度的等離子堆焊冶金結(jié)合的涂層， 以轉(zhuǎn)移型等離子弧作為熱源， 利用壓縮等離子弧瞬間產(chǎn)生的高溫使具有耐磨損性能的金屬混合粉末熔化， 與基體形成冶金結(jié)合， 可以獲得耐磨性更強的涂層， 進而提高零部件的耐磨性能及使用壽命. 本文即采用此種等離子堆焊工藝方法， 制備4種不同配比合金粉末的堆焊層試樣， 通過沖擊磨料磨損實驗來進行不同配比合金粉末堆焊層的耐磨性能研究.

1 實驗材料及方案

1.1 基體材料

42CrMo 鋼屬于Cr-Mo系(化學(xué)成分見表 1)， 是截齒材料中最為典型的鋼種[12]. 42CrMo材質(zhì)齒體常規(guī)的熱處理工藝為840 ℃油淬+360～400 ℃ 回火， 熱處理后所得組織為回火馬氏體， 其強度、 硬度及抗沖擊性能均有所提高.

表 1 截齒齒體材料化學(xué)成分

1.2 堆焊材料

本文設(shè)計了4種合金粉末， 每種合金粉末是將Ni60與Cr3C2， WC， TiC按照一定質(zhì)量比例混合， 具體如表 2 所示. 每種合金粉末的質(zhì)量為300 g.

表 2 實驗合金粉末成分

1.3 等離子堆焊實驗

采用等離子堆焊技術(shù)(等離子堆焊工藝參數(shù)見表 3， 需要指出的是， 等離子堆焊工程是對基體進行持續(xù)加熱的工程， 基體的溫度會持續(xù)升高， 所以為了降低基體的溫度差， 堆焊前必須對基體預(yù)熱， 以保證堆焊質(zhì)量)， 在42CrMo中低碳合金鋼表面堆焊合金粉末， 在基體表面形成合金堆焊層. 合金粉末是以Ni60自熔性合金粉末為基礎(chǔ)， 分別按照一定比例與Cr3C2、 WC和TiC粉末混合. 因不同粉末的密度不同， 采用混粉機將混合粉末均勻混合， 保證堆焊層成分分布均勻. 堆焊后， 制備成長、 寬、 高尺寸分別為10 mm×10 mm×30 mm的試樣.

表 3 等離子堆焊工藝參數(shù)

1.4 試樣制備

實驗在42CrMo鋼板上進行堆焊. 等離子堆焊之前首先需要對42CrMo進行熱處理： 800油淬+360～400 ℃回火. 熱處理之后， 還需要對42CrMo鋼板表面進行預(yù)處理： 先使用打磨機清除工件鐵銹， 再使用稀硝酸擦拭工件表面去除油污. 在整個堆焊工程中， 火星四濺并伴隨刺眼的強光， 需要工作人員戴上墨鏡或者透過堆焊設(shè)備的隔光玻璃觀察堆焊情況.

1.5 堆焊后處理

為了能夠很好地對堆焊層進行耐磨性實驗， 需要首先對堆焊層進行線切割. 然后， 采用合肥工業(yè)大學(xué)設(shè)計的沖擊磨粒磨損設(shè)備對堆焊層進行耐磨性能測試. 磨損實驗機原理圖， 如圖 1 所示.

圖 1 實驗設(shè)備原理圖Fig.1 The schematic diagram of experimental equipment

上試樣是實驗材料， 如1， 2， 3， 4號試樣. 上試樣被固定在與沖錘連接在一起的卡盤上， 實驗過程中， 沖錘以一定的高度自由下落， 使用精制的石英砂作為磨料并以一定的速度進料. 砂粒散落在下試樣表面， 下試樣由馬達(dá)驅(qū)動并以一定的速度旋轉(zhuǎn). 上試樣沖撞在被磨料覆蓋的正在旋轉(zhuǎn)的下試樣上， 然后沖錘重新被提起一定高度進入下一次沖擊磨損過程， 如此往復(fù)循環(huán). 在上下試樣發(fā)生沖撞的瞬間， 上、 下試樣與磨料之間還發(fā)生相對滑動磨損. 記錄每個試樣堆焊層沖擊磨損后質(zhì)量的損失量. 正式磨損實驗開始前， 對上下試樣用酒精進行表面處理， 去除銹跡、 油污等. 清洗后， 將試樣放置在的烘干爐里進行烘干， 時間為20 min. 之后使用天平對試樣進行稱重， 記為實驗前質(zhì)量. 根據(jù)實驗要求， 設(shè)置實驗參數(shù)， 進行磨損實驗. 磨損實驗結(jié)束后， 同樣進行清洗、 烘干、 稱重， 記為實驗后質(zhì)量. 所以， 磨損量=實驗前質(zhì)量—實驗后質(zhì)量. 對各個試樣進行3次實驗， 以確保實驗可靠性.

本文參考礦用截齒的實際服役工況， 對上述4個試件的堆焊層進行沖擊磨料磨損實驗. 實驗參數(shù)如表 4 所示.

表 4 沖擊磨損實驗設(shè)備實驗參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 沖擊磨料磨損質(zhì)量損失對比分析

在實驗中， 分別對1～4號試樣進行質(zhì)量磨損量的對比實驗， 在磨損工況一致的情況下， 對比因堆焊層材料配比不同而造成的質(zhì)量磨損的差異. 每個試樣均磨損1.5 h， 所得具體數(shù)據(jù)如表 5 所示.

表 5 試件質(zhì)量磨損實驗數(shù)據(jù)

由沖擊磨粒磨損實驗可以看出， 實驗中4個試樣的工況相同， 但由于試件堆焊層材料配比的不同， 導(dǎo)致試樣的質(zhì)量磨損量具有明顯的差異， 如圖 2 所示.

圖 2 試樣的質(zhì)量磨損量Fig.2 Number of mass loss of samples

由圖 2 可以看出， 1號試樣的磨損量最大， 4號試樣的磨損量最小(即3號試樣的耐磨性最強)， 2號和3號試件的耐磨性基本一致.

2.2 沖擊磨料磨損質(zhì)量磨量累積數(shù)據(jù)分析

沖擊磨料磨損是一項非常復(fù)雜的過程， 為了詳細(xì)了解試樣磨損過程中不同時段的磨損量， 本文實驗每間隔20 min記錄一次磨損量， 詳細(xì)數(shù)據(jù)如表 6 所示.

表 6 試樣質(zhì)量磨量累積數(shù)據(jù)表

由上述的磨損累積質(zhì)量損失實驗過程， 可以看出， 隨著時間的增加， 4個試樣的質(zhì)量磨損量逐漸增加. 同一個試件每20 min 的質(zhì)量磨損量明顯不同， 每個試樣出現(xiàn)劇烈磨損點的時間段也不相同(本次實驗中， 判斷劇烈磨損點的依據(jù)是以該時間段的質(zhì)量磨損量是前一次時間段質(zhì)量磨損量的2倍以上[13])， 如圖 3 所示. 由圖 3 可以看出， 4個試樣總體表現(xiàn)為： 前期質(zhì)量磨損量小， 中期質(zhì)量磨損量大， 后期質(zhì)量磨損量小， 劇烈磨損點均出現(xiàn)在磨損中期. 磨損前期， 堆焊層表層硬度高， 磨粒不易壓入， 所以前期的磨損量小. 而后期磨損量小的原因是試樣的熔合區(qū)含有大量的針狀馬氏體及少量奧氏體， 當(dāng)受到一定的沖擊時， 殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體并形成硬化層， 具有較高的硬度， 提高試樣的耐磨性能[14]. 1號試樣在60 min 開始劇烈磨損， 在140 min出現(xiàn)基體. 與1號試樣相比， 2號試樣磨損失重增長較為平緩， 沒有出現(xiàn)劇烈摩擦， 在160 min 出現(xiàn)基體. 4號與3號試樣在磨損前期趨勢基本一致， 在80 min同時出現(xiàn)劇烈摩擦， 在180 min同時出現(xiàn)基體， 但4是號試樣的累積磨損量明顯低于3號試樣. 在20～40 min時間段， 1～4號試樣的磨損量依次為： 1>2>3>4， 即4號試樣耐磨性最強， 主要是因為4號試樣堆焊層碳化鈦含量較高， 硬度高， 耐磨性較強. 2～4號試樣在磨損后期最后20 min內(nèi)的磨損量分別為112 mg, 77 mg, 59 mg， 即4號試樣堆焊層的內(nèi)層耐磨性最強. 在磨損中期100～140 min時間段， 3號試樣的磨損量為355 mg， 明顯低于4號試樣的磨損量473 mg， 這是因為3號試樣堆焊層中部含有大量奧氏體組織， 磨損過程大量奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體并形成硬化層， 增強耐磨性. 另一方面， 一些少量的未轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體可以吸收一些沖擊能量并防止裂紋擴展， 降低磨損量[15].

圖 3 試樣累計失重與時間的關(guān)系Fig.3 Relationship between the accumulated mass loss and time

2.3 堆焊層磨損形貌分析

2.3.1 宏觀形貌分析

圖 4 為磨損后的試樣， 其中圖4(a)為磨損過程中， 堆焊層與基體脫落現(xiàn)象， 主要出現(xiàn)在1和2號試樣中， 這是由于堆焊層與基體結(jié)合強度低造成的， 圖4(b)為堆焊層出現(xiàn)崩刃的現(xiàn)象， 1～4號試樣在磨損過程中均存在這種現(xiàn)象， 其中3號和4號試樣出現(xiàn)得較少. 圖4(c)為磨損后， 較為理想的形貌.

2.3.2 微觀形貌分析

沖擊磨粒磨損屬于典型的三體磨損， 即兩個表面中有第三物體充當(dāng)硬質(zhì)體， 硬質(zhì)體通常是夾在兩表面間的硬度較高的小顆粒， 使一個或兩個面產(chǎn)生磨損. 在沖擊磨損期間， 試樣樣品周期性地撞擊正在旋轉(zhuǎn)的下試樣. 同時， 它們之間不斷地流入石英砂顆粒. 研磨顆粒在高接觸壓力下擠壓到表面中， 進而出現(xiàn)刨削的過程. 由于表面上磨料的滑動摩擦而形成犁溝， 并形成有少量的溝槽和切屑， 如圖5(a)和(b)所示. 此外， 犁溝的存在， 還會造成磨粒磨損[16]. 溝槽和切屑的產(chǎn)生， 被認(rèn)為是造成質(zhì)量損失的主要原因， 溝槽變形導(dǎo)致塑性疲勞磨損， 切割導(dǎo)致材料直接磨損[17]. 除了上述特征外， 還有碳化物的脫落[18]， 如圖5(c)所示. 碳化物脫離基體后就會形成脫落坑， 如圖5(d)所示. 此外， 在強剪切和拉伸條件下， 磨損表面上還有許多微裂紋， 如圖5(e)所示， 微裂紋產(chǎn)生是由板條邊界開始， 然后逐漸延伸， 最后引起表面裂紋， 如圖5(f)所示. 此外， 疲勞磨損也是常常出現(xiàn)在磨損過程中的機制， 持續(xù)的疲勞磨損會使表面撕裂進而產(chǎn)生疲勞微裂紋， 如圖5(g)所示. 在磨損過程中， 磨粒的局部高應(yīng)力作用也會使脆性表面產(chǎn)生裂紋. 當(dāng)這些脆性裂紋擴展交匯時便會有顆粒脫落形成脫落坑， 而脫落的顆粒在強烈的摩擦作用下多數(shù)形成磨屑,少數(shù)被壓入表面， 如圖5(h)所示， 此外， 部分磨粒在高接觸壓力作用下也會被擠壓到表面中. 磨損過程中， 磨損表面存在很多的粘著點， 如圖5(i)所示， 這種磨損機理屬于粘著磨損， 這些粘著點周圍部分區(qū)域相比其它區(qū)域比較平坦， 這是由于持續(xù)的磨損使接觸面發(fā)生一定的硬化從而被磨平.

圖 4 試樣磨損后宏觀形貌Fig.4 Macroscopic morphology of samples after wear

圖 5 試樣磨損過程中的表面掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.5 SEM image of surface of samples after wear

3 結(jié) 論

通過等離子堆焊工藝方法制備的4種不同配比合金粉末堆焊試樣的耐磨性實驗表明： 4組試樣， 隨著時間的進行， 磨損量不斷增加， 其中1號磨損量最大， 為1 035 mg； 2號和3號試樣磨損量較少， 分別為926 mg和907 mg， 耐磨性較強； 4號試樣磨損量最少， 為812 mg ， 耐磨性最強. 可能是由于其堆焊層內(nèi)碳化鈦含量較高， 因而導(dǎo)致其耐磨性較強. 通過掃描電子顯微鏡觀察， 堆焊層磨損機制以磨粒磨損、 疲勞磨損及粘著磨損為主， 磨損過程中， 試樣表面還存在犁溝， 裂紋和脫落坑等磨損缺陷， 這些缺陷加速了試樣的磨損.

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Wear Resistance Research of the Plasma Surfacing-Based Mining Picks

CHENG Bo1, ZHANG Yan1, SHI Yi-kun2, DONG Lei1, WANG Hong-fu1

(1. School of Mechanical and Power Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China； 2. China Capital Aerospace Machinery Company，Beijing 100076, China)

In terms of the current problem, which is the serious effects of the wear of the mining pick heads to the efficiency of coal mining and the cost in the actual working environments, a coating with mixed alloy powders on the surface of picks was prepared by using the plasma surfacing method. In this method, with the transfer plasma arc as the heat source, the mixed metal powder with the wear resistance was melted at the high temperature produced by the compressed plasma arc, and then combined with the matrix to form the alloy coating. Thus, the alloy coating with higher wear resistance was obtained, which can further increase the wear resistance and the working life of the mining picks. By comparing the wear resistance of four different coatings with different matching of alloy powders, it is found, with the increase of TiC content in the alloy powder, the wear resistance of coating is significantly enhanced.

mining picks; wear; plasma surfacing; wear resistance; alloy coating

1673-3193(2017)04-0446-06

2017-03-21

國家自然科學(xué)基金資助項目(21604074)

成 博(1988-)， 男， 講師， 博士， 主要從事表面工程、 生物納米力學(xué)的研究.

TB333

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.04.009