氧化對(duì)WC/Cu-Ni-Mn 堆焊層磨損性能的影響

楊帥,桂赤斌,孟學(xué)偉,柳俊,夏衛(wèi)生

(華中科技大學(xué),材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢430074)

0 前言

高溫摩擦磨損每年給工業(yè)帶來大量的材料和能量損失[1],對(duì)裝備安全運(yùn)行帶來重大安全隱患。一般說來,在高溫條件下材料的硬度、拉伸強(qiáng)度及韌性會(huì)發(fā)生較大變化,特別是硬度會(huì)由于軟化而降低,使得金屬的耐磨損性能降低而導(dǎo)致更大的材料損失。此外,高溫還會(huì)導(dǎo)致材料的氧化,通常氧化會(huì)導(dǎo)致金屬材料的耐磨損性能減低[2-3]。但有研究表明Ni-Cu-Re系合金在350～400℃時(shí)摩擦系數(shù)和磨損量會(huì)急劇下降[4]。WC/Cu-Ni-Mn堆焊層的常溫下具有良好的干摩擦磨損性能[5],而在350℃應(yīng)用工況條件下,目前尚未見其在高溫干摩擦磨損條件下的耐磨性能的研究報(bào)告。

為此,文中針對(duì)未時(shí)效與時(shí)效的WC/Cu-Ni-Mn堆焊層在350℃的滑動(dòng)摩擦磨損性能進(jìn)行了研究,并與高鉻耐磨堆焊層進(jìn)行對(duì)比。對(duì)常溫、350℃溫度條件下的磨損行為進(jìn)行了對(duì)比分析,以期探明該溫度工況條件下堆焊層的干摩擦磨損機(jī)理及氧化作用對(duì)于堆焊層性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

試樣制備主要為將稱量好的WC顆粒、鎳粉、錳粉混合均勻并干燥,然后灌入紫銅管中制成所需的藥芯焊絲。采用氧乙炔焰堆焊方法將已經(jīng)制好的藥芯焊絲熔覆到打磨干凈的20鋼基體表面,得到總厚度大于15 mm的堆焊層。試樣成分及時(shí)效處理見表1,相關(guān)試樣尺寸及時(shí)效處理方式見課題組已發(fā)表論文[5]。

表1 測(cè)試試樣編號(hào)及規(guī)格

摩擦磨損測(cè)試在350℃下進(jìn)行,模擬工件耐磨堆焊層在高速高硬度材料摩擦下形成的高溫環(huán)境。通過銷-盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(MG-2000B)上配備的電爐加熱測(cè)試試樣。除溫度外,其它的參數(shù)都與常溫條件下的參數(shù)一致。摩擦磨損測(cè)試完成后,清洗并干燥試樣后進(jìn)行稱重,測(cè)試5次取平均值。使用掃描電鏡觀察試樣的被磨損面,檢測(cè)磨損面上的元素種類及含量,以分析試樣的磨損時(shí)效機(jī)理。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 堆焊合金的顯微組織及顯微硬度

硬度是衡量材料耐磨性能的重要指標(biāo)之一。測(cè)試試樣和對(duì)比試樣的硬度列于表2?？梢姼咩t鑄鐵堆焊層顯微硬度為670 HV0.2,高于Cu-Ni-Mn合金未時(shí)效處理的硬度(114 HV0.2)及時(shí)效處理后的硬度(378 HV0.2),而WC增強(qiáng)相硬度(2 436 HV0.2)遠(yuǎn)高于對(duì)比試樣。因此WC/Cu-Ni-Mn堆焊層的耐磨性主要由其增強(qiáng)相WC保證。需要注意的是,高鉻鑄鐵的堆焊層的組織和性能有方向性,橫截面的硬度及耐磨損性能均優(yōu)于縱截面。圖1為高鉻鑄鐵堆焊層的微觀組織形貌,可見一次碳化物(Fe,Cr)7C3均勻分布,其體積分?jǐn)?shù)為33%。

表2 顯微硬度及宏觀測(cè)試結(jié)果 HV0.2

圖1 Cu-Ni-Mn堆焊層微觀組織圖片

2.2 滑移摩擦磨損結(jié)果

未時(shí)效處理的Cu-Ni-Mn硬度低且塑性好,在350℃溫度條件下摩擦磨損測(cè)試后,磨損破壞的金屬粘接在試樣的邊緣,并未脫離下來,如圖2所示,因此M1摩擦損失無法準(zhǔn)確稱量。

圖2 350℃測(cè)試后M1試樣的磨損破壞面形貌

對(duì)表1中的每種堆焊層選取3個(gè)試樣進(jìn)行常溫耐摩擦磨損測(cè)試,取體積損失的平均值為最終檢測(cè)結(jié)果來表征不同堆焊層的耐磨擦磨損性能。以高鉻鑄鐵性能較優(yōu)的橫截面作為耐摩擦磨損性能結(jié)果的對(duì)照,在常溫和350℃溫度條件下,不同試樣經(jīng)過干摩擦磨損后體積損失見表3。各試樣在350℃溫度條件下的摩擦磨損體積較之于常溫下均有所增加,未進(jìn)行時(shí)效處理和時(shí)效處理后的試樣磨損體積分別增加了6.60%和4.95%。WC/M1試樣的相對(duì)耐摩擦磨損性能從1.83上升到1.9,相應(yīng)的WC/M2從2.26上升到2.39,表明盡管在350℃溫度條件下各試樣的摩擦磨損體積均有增加,但WC/Cu-Ni-Mn堆焊層磨損體積增加量低于高鉻鑄鐵堆焊層(10.88%),其耐摩擦性能尤其是350℃溫度條件下的性能優(yōu)于高鉻鑄鐵堆焊層,主要原因是WC顆粒增強(qiáng)相具有硬度高和熱穩(wěn)定性良好的優(yōu)點(diǎn)。

表3 試樣的體積損失和相對(duì)耐磨損性能值

2.3 動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)分析

測(cè)試試樣的摩擦系數(shù)曲線如圖3所示,不同試樣的摩擦系數(shù)都先增加再減少。其原因?yàn)楦髟嚇拥哪Σ聊p測(cè)試過程主要由兩個(gè)階段組成：跑合磨損階段和穩(wěn)定磨損階段。此外測(cè)試試樣在不同測(cè)試溫度下的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)大小為M1＞M2＞W(wǎng)C/M1＞W(wǎng)C/M2。其原理與相關(guān)文獻(xiàn)[5]相一致,都是因?yàn)楦唧w積分?jǐn)?shù)的硬質(zhì)相的存在可以減少金屬基體與磨盤的實(shí)際接觸面積,進(jìn)而在摩擦磨損過程中減小了堆焊層承受的剪切載荷[6-8]。

圖4為不同堆焊層磨損表面的SEM和EDS結(jié)果。如圖4a,4b所示,在碎屑的EDS分析中發(fā)現(xiàn)了較高含量O元素,這表明Cu-Ni-Mn試樣在350℃溫度條件下發(fā)生氧化,表面有氧化層產(chǎn)生。如圖4c,4d所示,可見WC/M2磨損表面同樣有高含量的O元素,這表明WC/Cu-Ni-Mn堆焊層也受到了氧化作用的影響并在表面生成了氧化層。另外,發(fā)現(xiàn)了Mo,Cr等堆焊層中原本不存在的元素,這些元素主要來自于磨盤。WC/M2中WC的高硬度導(dǎo)致磨盤在摩擦磨損測(cè)試中出現(xiàn)了磨損,掉落的碎屑粘附在WC/M2上。

圖3 不同試樣的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)曲線

圖4 不同堆焊層磨損表面的SEM和EDS結(jié)果

銅的氧化物一般為CuO與Cu2O,鎳的氧化物一般為NiO,其不同溫度下的摩擦系數(shù)見表4?？梢娫?16℃下,Cu2O的摩擦系數(shù)降低到0.14,而CuO和NiO的摩擦系數(shù)較高。但是CuO在200℃時(shí)會(huì)生成剪切膜,可以有效保護(hù)磨損表面[9]。因此,Cu-Ni-Mn基體具有良好的高溫自潤(rùn)滑性能。

表4 三種氧化物在不同溫度下的摩擦系數(shù)

結(jié)合圖3與圖4可見,相較于常溫下,在350℃溫度條件下動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)出現(xiàn)了明顯的下降,一般來說由于高溫軟化作用,導(dǎo)致金屬硬度下降,摩擦系數(shù)會(huì)增加[10]。但在350℃溫度條件下同種試樣的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)卻減小,這是因?yàn)槎押笇釉嚇颖砻嫘纬傻难趸ぴ谀Σ聊p過程中起到了潤(rùn)滑劑的作用[11],由于高溫環(huán)境造成的氧化作用對(duì)摩擦系數(shù)的影響大于軟化作用,因而高溫下摩擦系數(shù)略微下降。

2.4 摩擦磨損機(jī)理分析

試樣在不同溫度下的磨損表面如圖5所示,從圖5a,5b,5e和5f中可見,M1和M2試樣在350℃和常溫下的測(cè)試結(jié)果相近,表面都有一些黏著磨損的痕跡和磨粒磨損破壞產(chǎn)生的沿滑動(dòng)方向的犁溝,這表明M1和M2試樣的主要磨損失效機(jī)理為磨粒磨損和黏著磨損。值得注意的是,350℃溫度條件下測(cè)試條件下試樣M1和M2的磨損面比常溫測(cè)試下更加光滑,這與摩擦系數(shù)的測(cè)試結(jié)果相一致,表明高溫環(huán)境下生成的氧化層可以起到潤(rùn)滑作用,有效減小高溫下的摩擦磨損。

圖5 不同測(cè)試溫度下試樣磨損后SEM圖

圖5 c,5d,5g和5h為試樣WC/M1和WC/M2在常溫和350℃溫度條件測(cè)試下磨損表面的對(duì)比。由圖可知,350℃溫度條件下兩種測(cè)試試樣的磨損表面相似,兩者都存在少量的犁溝痕跡及有大量磨屑碎片附著在表面,同時(shí)可見黏著磨損的破壞痕跡,這表明WC/M1和WC/M2的主要磨損破壞機(jī)理均為磨粒磨損及黏著磨損。此外,對(duì)比350℃溫度條件下和常溫下的磨損形貌,發(fā)現(xiàn)同種試樣在350℃溫度條件下磨損表面更加光滑,犁溝痕跡更淺,表明高溫環(huán)境下的氧化作用可以起到潤(rùn)滑作用,有助于保持表面的光滑,這與動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)的分析結(jié)果相一致。

綜上所述,常溫下發(fā)生的黏著磨損和磨粒磨損在高溫環(huán)境下均會(huì)出現(xiàn),不同的是高溫下產(chǎn)生氧化層,起到潤(rùn)滑作用。此外,對(duì)比表3可以發(fā)現(xiàn)350℃溫度條件下WC/Cu-Ni-Mn堆焊層和高鉻鑄鐵堆焊層的摩擦磨損的體積損失均小幅度增加。這是因?yàn)楦邷刈饔脤?dǎo)致金屬基軟化,降低了金屬硬度,從而使堆焊層耐磨損性能降低[10-11]。

3 結(jié)論

(1)WC/Cu-Ni-Mn堆焊層在常溫和350℃溫度條件下的摩擦磨損機(jī)制均包含磨粒磨損破壞和黏著磨損破壞,還包含氧化作用。

(2)350℃溫度條件下堆焊層受到高溫軟化和氧化的共同作用,因氧化而形成的氧化膜起到了潤(rùn)滑作用,致使摩擦系數(shù)降低。但在高溫下軟化作用占主導(dǎo),因而摩擦磨損的體積損失反而上升。