金剛石釬涂技術(shù)在過(guò)流部件上的應(yīng)用研究

李宇佳，孫志鵬，張雷，劉健波，李曉迪，王宇

摘要：過(guò)流部件在服役過(guò)程中常因表面磨損而失效，與傳統(tǒng)耐磨處理方法相比，采用金剛石釬涂技術(shù)處理后的過(guò)流部件使用壽命顯著提高。采用釬涂技術(shù)分別制備N(xiāo)iCrBSi、NiCrBSi/WC、NiCrBSi/金剛石耐磨釬涂層，涂層與基體冶金結(jié)合良好，NiCrBSi涂層生成碳化鉻、硼化鉻、硼化鎳等強(qiáng)化相，NiCrBSi/WC涂層中WC顆粒的分布密度由涂層表面至底部逐漸增大，NiCrBSi/金剛石涂層中金剛石顆粒均勻彌散分布;在相同磨損試驗(yàn)條件下，NiCrBSi/金剛石涂層失重約為NiCrBSi涂層的1/5、NiCrBSi/WC涂層的1/3，這表明NiCrBSi/金剛石涂層具有優(yōu)異的耐磨性。將金剛石釬涂技術(shù)在農(nóng)機(jī)觸土部件旋耕刀、螺旋輸送機(jī)葉片上進(jìn)行工程應(yīng)用，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，金剛石釬涂旋耕刀和金剛石釬涂螺旋葉片的耐磨性及使用壽命得到了大幅提高。為金剛石釬涂技術(shù)將來(lái)在其他過(guò)流部件上的應(yīng)用與推廣提供了理論參考和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：釬涂;金剛石涂層;磨損失效;耐磨涂層;過(guò)流部件

中圖分類(lèi)號(hào)：TG454? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）10-0019-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.04

0? ? 前言

過(guò)流部件在服役過(guò)程中常因表面磨損而失效，涉及農(nóng)機(jī)裝備、港口機(jī)械、海洋工程、風(fēng)電核電、軌道交通、航空航天、國(guó)防軍工等眾多工業(yè)領(lǐng)域。如農(nóng)機(jī)觸土部件長(zhǎng)期與土壤顆粒摩擦磨損[1]，港口卸船機(jī)輸送部件受煤、礦石、水泥、糧食、化肥等運(yùn)送物料磨粒磨損[2]，流體機(jī)械過(guò)流部件受高速水流泥沙沖蝕磨損[3-4]，工程機(jī)械齒輪、軸承、套筒、軸等零件相互摩擦導(dǎo)致磨損[5-6]，嚴(yán)重影響過(guò)流部件工作效率、使用壽命以及設(shè)備運(yùn)行安全性，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者采用等離子熔覆、激光熔覆、火焰噴焊、電弧噴涂等技術(shù)，在過(guò)流部件表面制備Fe基、Ni基、Co基等自熔性合金涂層，在不同程度上提高了過(guò)流部件的耐磨性和使用壽命[7-11]，但壽命提高有限，且存在設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜或者原材料成本高等問(wèn)題。釬涂技術(shù)是一種新型表面耐磨層制備技術(shù)，其本質(zhì)是海量級(jí)微粒間的復(fù)雜釬焊，原理是采用釬焊方式將高硬度、耐磨損、耐侵蝕或抗氧化的硬質(zhì)顆粒連結(jié)到基體表面，形成釬料與硬質(zhì)材料復(fù)合的表面耐磨涂層。該技術(shù)具有涂層表面平整、加工精度高、結(jié)合強(qiáng)度高、加熱溫度低、熱應(yīng)力小等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，采用WC、金剛石、cBN等超硬耐磨材料作為硬質(zhì)點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)耐磨方法可顯著提高過(guò)流部件耐磨壽命[12-14]，逐漸在眾多工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用推廣。

文中以NiCrBSi自熔性合金粉末為釬料合金，分別以WC、金剛石為硬質(zhì)顆粒，通過(guò)非真空外場(chǎng)下釬涂技術(shù)在65Mn鋼表面制備出無(wú)組織缺陷、呈冶金結(jié)合的釬涂耐磨涂層，并使用掃描電鏡分析研究了涂層的組織結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用干砂橡膠輪磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其耐磨性，對(duì)比分析NiCrBSi、NiCrBSi/WC、NiCrBSi/金剛石耐磨釬涂層的耐磨性，并簡(jiǎn)要介紹金剛石釬涂技術(shù)在農(nóng)機(jī)觸土部件旋耕刀以及螺旋輸送機(jī)葉片上的應(yīng)用實(shí)例，為其在其他過(guò)流部件上的應(yīng)用和推廣奠定良好的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 釬涂層材料

試驗(yàn)用基體材料為65Mn鋼，釬料合金為NiCrBSi自熔性合金粉末，分別以WC、金剛石為硬質(zhì)顆粒，通過(guò)優(yōu)化釬涂工藝參數(shù)及涂層結(jié)構(gòu)，在非真空外場(chǎng)下釬涂制備出無(wú)組織缺陷，呈冶金結(jié)合的NiCrBSi、NiCrBSi/WC、NiCrBSi/金剛石釬涂耐磨涂層。

1.2 試驗(yàn)方法

選用普通65Mn鋼板作為基體，尺寸為75 mm×

25 mm×10 mm，采用噴砂去除表面油污雜質(zhì)，隨后采用粘結(jié)劑將復(fù)合粉末制備成糊狀物，均勻涂覆預(yù)置在基體表面，然后放入鼓風(fēng)干燥箱中80 ℃烘干4 h。然后將試樣塊放置在環(huán)形感應(yīng)圈中，采用感應(yīng)加熱方法將涂層熔化實(shí)現(xiàn)與基體的冶金結(jié)合。

使用線(xiàn)切割在NiCrBSi、NiCrBSi/WC釬涂部件上切取橫截面試樣，經(jīng)研磨、拋光、腐蝕后備用;使用線(xiàn)切割切斷NiCrBSi/金剛石釬涂部件鋼基體后擊斷涂層部位制得NiCrBSi/金剛石涂層橫截面試樣。采用掃描電鏡觀(guān)察分析釬涂層表面形貌、界面顯微組織和硬質(zhì)顆粒分布狀態(tài)。

采用MML-1G 型干砂橡膠輪式磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試NiCrBSi涂層、NiCrBSi/WC涂層、NiCrBSi/金剛石涂層試樣的耐磨性能。耐磨試驗(yàn)按照 JB/T 7705-1995《松散磨粒磨料磨損試驗(yàn)方法 橡膠輪法》進(jìn)行，試驗(yàn)負(fù)載 45 N，橡膠輪轉(zhuǎn)速200 r/min，磨料選用平均粒徑60目剛玉砂，試樣兩面磨平后放入試驗(yàn)機(jī)，先預(yù)磨5 min后對(duì)耐磨試塊進(jìn)行稱(chēng)重，隨后正式進(jìn)入磨損試驗(yàn)階段，分別磨損5 min、10 min后將試樣清洗烘干，使用萬(wàn)分之一電子天平分別稱(chēng)重，對(duì)比幾種試樣的磨損失重。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層形貌及組織分析

NiCrBSi釬涂部位的橫截面形貌及局部顯微組織如圖1所示，釬涂層組織均勻致密，無(wú)明顯夾雜、孔隙、裂紋等缺陷，涂層與基體結(jié)合良好。圖1b中灰色顆粒狀、塊狀、條狀相為碳化鉻、硼化鉻、硼化鎳等強(qiáng)化相，較均勻地分布在Ni基體中，可顯著提高鎳基合金涂層的硬度與耐磨性。NiCrBSi/WC釬涂部位的橫截面形貌及局部顯微組織如圖2所示，球狀相即為WC硬質(zhì)相，由圖2b可知，WC與釬料發(fā)生元素?cái)U(kuò)散，在WC顆粒周?chē)纬蓧K狀的碳化物，對(duì)釬涂層耐磨性的提升起到積極作用。NiCrBSi/金剛石釬涂部位的橫截面形貌及局部顯微組織如圖3所示，涂層與基體呈冶金結(jié)合，黑色不規(guī)則顆粒為金剛石，NiCrBSi釬料與金剛石結(jié)合較好，金剛石彌散分布在涂層中，起到硬質(zhì)強(qiáng)化的作用，可大幅提升涂層的耐磨性能。

2.2 耐磨性分析

NiCrBSi涂層、NiCrBSi/WC涂層和NiCrBSi/金剛石涂層在干砂橡膠輪式磨損試驗(yàn)機(jī)分別磨損5 min和10 min后的質(zhì)量損失對(duì)比如表1所示。由表1可知，隨著磨損時(shí)間的增加，3種涂層的磨損失重呈減小趨勢(shì);NiCrBSi/WC涂層試樣前期比后期的磨損失重大得多，與WC顆粒的分布密度由涂層表面至底部逐漸增大有關(guān);NiCrBSi/金剛石涂層在整個(gè)磨損階段失重差別不大，說(shuō)明金剛石在涂層中的分布較均勻。3種涂層磨損試驗(yàn)后的質(zhì)量失重對(duì)比如圖4所示。由圖4可知，NiCrBSi涂層失重0.306 4 g，NiCrBSi/WC涂層失重0.180 3 g，NiCrBSi/金剛石涂層失重0.059 1 g，約為NiCrBSi涂層的1/5、NiCrBSi/WC涂層的1/3，表明NiCrBSi/金剛石涂層具有優(yōu)異的耐磨性。

3 應(yīng)用前景與實(shí)施案例

金剛石釬涂技術(shù)以金剛石作為硬質(zhì)耐磨顆粒、以自熔性合金粉作為粘結(jié)釬料制備高性能涂層，可顯著提升核心易磨損件的使用壽命，突破傳統(tǒng)磨損部件頻繁更換、被迫停產(chǎn)耗資巨大的技術(shù)瓶頸，拓寬金剛石產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用范圍，促進(jìn)我國(guó)耐磨領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。技術(shù)成果在農(nóng)機(jī)刀具、螺旋輸送機(jī)葉片示范應(yīng)用成熟后，可推廣至盾構(gòu)裝備、煤機(jī)裝備、礦山機(jī)械、港口機(jī)械、流體機(jī)械等行業(yè)的裝備延壽，經(jīng)濟(jì)效益潛力巨大。金剛石釬涂技術(shù)能夠顯著降低磨損部件用量，降低能源消耗，具備節(jié)材、減排、降耗、提質(zhì)、增效綠色制造特征，助力我國(guó)裝備制造業(yè)綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)。

3.1 金剛石涂層旋耕刀

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，80%以上的農(nóng)機(jī)觸土部件因磨損失效而報(bào)廢[15]。旋耕刀作為旋耕作業(yè)的核心部件，國(guó)內(nèi)年消耗量達(dá)數(shù)億把，農(nóng)耕機(jī)械作業(yè) 300 畝后需要花費(fèi)半天時(shí)間更換易磨損零部件;農(nóng)忙季節(jié)頻繁換刀導(dǎo)致耕作進(jìn)度大幅延遲，極易錯(cuò)失最佳播種時(shí)機(jī)，而每晚播一天農(nóng)作物將減產(chǎn)2%?；谥悄苻r(nóng)機(jī)用旋耕刀典型工況條件，通過(guò)優(yōu)化釬涂工藝，在旋耕刀表面制備0.1～2.5 mm厚度梯度分布的NiCrBSi/金剛石復(fù)合耐磨釬涂層，經(jīng)田間試驗(yàn)驗(yàn)證，在近似條件下，金剛石釬涂刀具的作業(yè)壽命可提高到傳統(tǒng)刀具的4倍以上，如圖5、圖6所示。

金剛石涂層旋耕刀增值效益顯著，在成本增加不到0.5倍的條件下，壽命提高4倍以上，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)顯著;可連續(xù)作業(yè)1 200畝以上，為搶墑播種爭(zhēng)取1～2天，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物增產(chǎn)5%～8%。

3.2 金剛石釬涂螺旋輸送機(jī)葉片

螺旋輸送機(jī)是一種連續(xù)的輸送設(shè)備，靠轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋葉片推動(dòng)物料前進(jìn)，主要用來(lái)運(yùn)輸石子、煤粉、小塊煤、水泥、化肥、灰渣、沙子、糧食等各類(lèi)粉狀或顆粒狀物料，因此，其工作過(guò)程中會(huì)發(fā)生嚴(yán)重磨損，越靠近葉片邊緣，磨損越厲害，不僅增加材料及維修成本，還可能停機(jī)停產(chǎn)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)前主流市場(chǎng)主要通過(guò)電弧堆焊鐵基堆焊合金、碳化鎢堆焊合金、銅基堆焊合金和鈷基堆焊合金等增強(qiáng)螺旋輸送機(jī)葉片的耐磨性，使用壽命延長(zhǎng)有限、葉片易變形[2]。采用金剛石釬涂技術(shù)制備螺旋葉片NiCrBSi/金剛石復(fù)合耐磨涂層，涂層厚度0.1～3 mm從里向外遞增分布，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證（見(jiàn)圖7），金剛石釬涂螺旋葉片在水泥熟料中服役200 h后厚度基本無(wú)變化，而普通螺旋葉片磨損嚴(yán)重已不能輸送物料，說(shuō)明金剛石釬涂螺旋葉片的耐磨性能及使用壽命得到了大幅提高;與堆焊葉片相比，釬涂葉片質(zhì)量大大降低，葉片輕量化有助于我國(guó)連續(xù)輸送設(shè)備向環(huán)保型、功能型的方向發(fā)展。

4 結(jié)論

（1）采用釬涂技術(shù)制備了NiCrBSi、NiCrBSi/WC、NiCrBSi/金剛石耐磨釬涂層，涂層與基體冶金結(jié)合良好，NiCrBSi涂層生成碳化鉻、硼化鉻、硼化鎳等強(qiáng)化相，NiCrBSi/WC涂層中WC顆粒的分布濃度由涂層表面至底部逐漸增大，NiCrBSi/金剛石涂層中金剛石顆粒均勻彌散分布。

（2）NiCrBSi涂層、NiCrBSi/WC涂層和NiCrBSi/金剛石涂層分別進(jìn)行10 min磨損試驗(yàn)后，NiCrBSi/金剛石涂層失重0.059 1 g，約為NiCrBSi涂層的1/5、NiCrBSi/WC涂層的1/3，表明NiCrBSi/金剛石涂層具有優(yōu)異的耐磨性。

（3）金剛石釬涂技術(shù)在農(nóng)機(jī)觸土部件旋耕刀、螺旋輸送機(jī)葉片上進(jìn)行工程應(yīng)用，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，金剛石釬涂旋耕刀、金剛石釬涂螺旋葉片的耐磨性及使用壽命得到了大幅提高，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)。

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