鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板組織性能研究

石亞麗 黃智泉 陶文嘉

（1.鄭州機械研究所有限公司；2.洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責任公司）

磨損是機械裝備零部件失效的主要原因之一［1］，我國每年在機械、冶金、電力、煤炭、建材等領(lǐng)域因磨損而造成的經(jīng)濟損失約占國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的5%［2-4］。隨著裝備制造業(yè)規(guī)模的不斷擴大以及實際應用工況的復雜化，傳統(tǒng)單一金屬耐磨材料已遠不能滿足實際使用需求，復合耐磨材料應運而生［5-6］。

耐磨板廣泛應用于破碎機篦板、球磨機襯板等各種易磨損構(gòu)件表面，成為工業(yè)系統(tǒng)設(shè)備耐磨防護的重要手段［7-8］。按實際使用需求可將耐磨板截成相應的形狀，然后拼裝緊固或焊接在工件易磨損部位，達到耐磨損的目的，并且磨損失效后可進行更換。耐磨板產(chǎn)品主要包括高錳鋼板、合金鋼板以及堆焊耐磨板等，以適應不同工況耐磨需求。單一材質(zhì)的耐磨鋼板抗沖擊性好，但耐磨性不足；堆焊耐磨板耐磨性優(yōu)異，但由于堆焊過程易產(chǎn)生應力釋放裂紋，在高沖擊載荷下易脫落失效，且焊接過程熱輸入的作用使基板變形大，校正困難［9-12］。本研究采用真空燒結(jié)的方法制備復合耐磨板，實現(xiàn)Ti C鋼結(jié)硬質(zhì)合金與Q235鋼的冶金結(jié)合。制得的耐磨板具有耐磨性優(yōu)異、結(jié)合性好、基板變形極小、耐磨層無裂紋、易于機加工、可焊性好、能承受一定的沖擊載荷等優(yōu)點，其耐磨性優(yōu)于堆焊耐磨板，同時兼具耐磨鋼板的優(yōu)良沖擊韌性，解決了傳統(tǒng)耐磨鋼板耐磨性不足和堆焊耐磨板抗沖擊性差的問題，拓寬了耐磨板的應用市場。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗基板為200 mm×150 mm×20 mm的Q235鋼試板，選用鄭州機械研究所有限公司生產(chǎn)的牌號為ZDZC60的TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金壓坯，壓坯尺寸為60 mm×31 mm×12 mm，燒結(jié)收縮后鋼結(jié)硬質(zhì)合金的厚度為10 mm，Ti C鋼結(jié)硬質(zhì)合金的化學成分見表1。

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對比材料選用鄭州機械研究所有限公司自制的規(guī)格為10 mm+10 mm成品堆焊耐磨板，堆焊層熔敷金屬的化學成分見表2。

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1.2 試驗方法

在Q235基板上加工5道尺寸為130 mm×31 mm×8 mm的凹槽，相鄰兩凹槽之間距離為5 mm，凹槽與基板邊緣距離均為10 mm，將鋼結(jié)硬質(zhì)合金壓坯置于凹槽內(nèi)，每一凹槽內(nèi)兩鋼結(jié)硬質(zhì)合金壓坯之間距離為5 mm，見圖1。

將復合板放在HS-FVHS52/2-45-16型真空燒結(jié)爐中，依照圖2所示燒結(jié)工藝曲線進行燒結(jié)，爐內(nèi)真空度為4～6 Pa。燒結(jié)后隨爐冷卻，得到鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板。在基板上加工凹槽置入鋼結(jié)硬質(zhì)合金的方式能夠使鋼結(jié)硬質(zhì)合金更好地嵌入基板中，有利于提高復合耐磨板的整體穩(wěn)定性。

利用ZEISS Axio Scope.A1金相顯微鏡、Phenom XL G2型臺式掃描電子顯微鏡對耐磨板界面顯微組織進行觀察與分析；利用THRP-1500型數(shù)顯洛氏硬度計（試驗力150 kg，保荷時間5 s）對耐磨板進行宏觀硬度測試，取10個測點的平均值；利用HXD-1000TMC100D型顯微硬度計（試驗力2.942 N，保荷時間10 s）對耐磨板顯微組織中的硬質(zhì)相進行顯微硬度測試；利用萬能試驗機對耐磨板界面進行剪切強度測試，剪切試樣尺寸為φ10 mm×20 mm；利用ZBC2452-C型擺錘式?jīng)_擊試驗機進行常溫沖擊測試，沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×50 mm；以燒結(jié)后復合板鋼結(jié)硬質(zhì)合金塊為中心進行取樣，取得的剪切試樣及沖擊試樣見圖3。

利用MLG-130型干砂橡膠輪磨損試驗機對耐磨板的磨損性能進行測試，壓坯燒結(jié)后有一定的體積收縮，鋼結(jié)硬質(zhì)合金與基板之間存在一定的縫隙，使用與堆焊耐磨板相同的焊絲以焊接的方式填充，以達到整體耐磨的目的。由于鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板的耐磨性主要由鋼結(jié)硬質(zhì)合金提供，故以鋼結(jié)硬質(zhì)合金為中心取得干砂磨損試樣，試樣尺寸為50 mm×25 mm×12 mm，磨損試驗的相關(guān)參數(shù)見表3。使用AL204型分析天平計算磨損失重（精確至0.1 mg），取5次試驗的平均值。

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2 試驗結(jié)果

2.1 宏觀形貌分析

復合耐磨板宏觀形貌照片見圖4。

從圖4（a）可以看出，基板未發(fā)生明顯變形，鋼結(jié)硬質(zhì)合金與基板之間形成良好的結(jié)合，結(jié)合處無宏觀裂紋，鋼結(jié)硬質(zhì)合金表面無裂紋、無宏觀孔洞，具有良好的金屬光澤。因鋼結(jié)硬質(zhì)合金在真空燒結(jié)過程中發(fā)生體積收縮，故與基板凹槽之間殘留一定縫隙，用與堆焊耐磨板相同的焊絲通過焊接的方式填充至與鋼結(jié)硬質(zhì)合金齊平，以達到整體耐磨的目的。圖4（b）中堆焊耐磨板表面存在多條貫穿耐磨層的宏觀裂紋，裂紋的存在使堆焊耐磨板抗沖擊性差，在沖擊載荷作用下易脫落失效，且在基板上堆焊耐磨層時熱輸入的作用使基板變形量大，校正困難。

2.2 顯微組織分析

2.2.1 真空燒結(jié)復合耐磨板光學顯微鏡下顯微組織

真空燒結(jié)復合耐磨板光學顯微鏡下顯微組織照片見圖5。

從圖5（a）可以看出，鋼結(jié)硬質(zhì)合金與基體溶合界面較平直，互溶區(qū)由靠近鋼結(jié)硬質(zhì)合金側(cè)的TiC稀疏區(qū)和靠近Q235鋼基板側(cè)的片狀固溶區(qū)構(gòu)成，互溶區(qū)的寬度為140～160μm。鋼結(jié)硬質(zhì)合金的顯微組織存在少量孔洞，這是粉末冶金制品不可避免的問題，互溶區(qū)內(nèi)的TiC顆粒數(shù)量明顯少于鋼結(jié)硬質(zhì)合金部分，且互溶區(qū)內(nèi)也存在少量微小孔洞?；ト軈^(qū)的存在表明鋼結(jié)硬質(zhì)合金與Q235鋼基體之間形成了冶金結(jié)合?；w的顯微組織為鐵素體型魏氏組織，Q235鋼在燒結(jié)過程中，加熱溫度高，在一個粗大的奧氏體晶粒內(nèi)會形成許多平行的先共析鐵素體針片，在鐵素體針片之間的剩余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，這種過熱組織即為魏氏組織［13］。

根據(jù)鄭啟昊等［1］的研究，結(jié)合圖5（b）可以看出，堆焊耐磨板顯微組織由堆焊區(qū)、熔合區(qū)、Q235基體區(qū)構(gòu)成，熔合區(qū)與堆焊區(qū)之間可以觀察到明顯的熔合線。熔合區(qū)的寬度在166～175μm，熔合區(qū)內(nèi)的珠光體數(shù)量明顯增加，這是因為基體與堆焊合金成分差異較大，在高溫焊接熱源的作用下發(fā)生劇烈擴散現(xiàn)象，形成熔合區(qū)［14］。圖5（c）中鋼結(jié)硬質(zhì)合金部分的顯微組織由TiC顆粒、珠光體和碳化物組成，TiC顆粒呈近圓形均勻彌散地分布在粘結(jié)相上。TiC因其硬度高、抗氧化性好、耐腐蝕、熱穩(wěn)定性好、燒結(jié)過程中晶粒長大傾向小，且世界上鈦資源豐富，獲得廣泛應用；高錳鋼作為粘結(jié)相最顯著的特點是經(jīng)水韌處理后，可得到均勻的奧氏體組織，在振動或沖擊載荷工況下發(fā)生加工硬化，為碳化鈦硬質(zhì)相提供良好的支撐，充分發(fā)揮硬質(zhì)相的耐磨作用，而芯部仍具有很高的韌性［15］。堆焊耐磨板堆焊合金的顯微組織（圖5（d））為奧氏體基體，共晶碳化物組織和長條狀的高硬度M7C3型碳化物。

2.2.2 鋼結(jié)硬質(zhì)合金部分面掃描

鋼結(jié)硬質(zhì)合金部分面掃描結(jié)果見圖6。

從圖6可以看出，粘結(jié)相的主要成分是Fe、Mn、Ni，此外還有少量C，Mo在碳化鈦晶粒邊緣富集，形成包覆結(jié)構(gòu)（Rim相），有助于改善潤濕性和抑制碳化鈦顆粒的相互靠攏，使碳化物顆粒不至于過分長大。粘結(jié)相中還存在少量Ti，表明在燒結(jié)過程中，Ti在粘結(jié)相中有一定的溶解度［16］。

2.2.3 鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板界面線掃描

鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板界面線掃描結(jié)果見圖7。

從圖7可以看出，F(xiàn)e、Mn變化曲線有明顯的漸變趨勢，說明Fe、Mn在界面處有擴散現(xiàn)象。Mn主要存在于鋼結(jié)硬質(zhì)合金的粘結(jié)相中，從鋼結(jié)硬質(zhì)合金經(jīng)互溶區(qū)到基體，Mn的含量呈降低趨勢，表明Mn是從鋼結(jié)硬質(zhì)合金通過互溶區(qū)向基體中擴散的；Q235鋼基體側(cè)的Fe含量高于鋼結(jié)硬質(zhì)合金，F(xiàn)e是從基體通過互溶區(qū)向鋼結(jié)硬質(zhì)合金擴散的，且Fe的擴散量最多。真空燒結(jié)過程中，隨溫度的升高，成分擴散加劇，當溫度升高至鋼結(jié)硬質(zhì)合金中產(chǎn)生液相時，液相的粘性流動加強，鋼結(jié)硬質(zhì)合金與基體之間發(fā)生強烈的成分交互擴散。隨著成分的擴散，基體對界面處的鋼結(jié)硬質(zhì)合金有一定的稀釋作用［17］，這也是互溶區(qū)的TiC顆粒數(shù)量明顯少于鋼結(jié)硬質(zhì)合金側(cè)的原因。

2.3 硬度分析

鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板與堆焊耐磨板洛氏硬度見圖8。

鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板的洛氏硬度在55～60 HRC，堆焊耐磨板在58～62 HRC，堆焊耐磨板的洛氏硬度略高于鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板。

鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板顯微組織中的硬質(zhì)相為TiC顆粒，堆焊耐磨板堆焊層顯微組織中的硬質(zhì)相主要是M7C3型碳化物。使用imageJ軟件對顯微組織中的硬質(zhì)相占比進行測定，耐磨板硬質(zhì)相的顯微硬度及硬質(zhì)相占比見表4。

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從表4可以看出，在硬質(zhì)相占比相當?shù)那闆r下，Ti C的顯微硬度是M7C3型碳化物的2～2.5倍。

2.4 剪切強度測試

鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板主要應用于耐磨工況條件，物料運動方向一般與板面接近平行，但受到局部沖擊載荷時，結(jié)合界面處易出現(xiàn)裂紋，因此，試驗利用剪切強度判斷鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合板界面承受剪切應力的能力［18］。測得鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板界面剪切強度為340～382 MPa。

鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板剪切斷口形貌見圖9。

從圖9可以看出，剪切斷口存在大量大小不等的韌窩［13］。在剪切過程中，試樣受到垂直于結(jié)合界面的剪切應力作用，切應力形成拉長韌窩，在拉長韌窩配對的斷口上，韌窩方向恰巧相反。斷口中也存在部分臺階狀花樣，為脆性斷裂形貌特征。綜上所述，可判定鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板界面斷裂形式為混合型斷裂［19］。

2.5 沖擊韌性測試

利用擺錘式?jīng)_擊試驗機測得鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板的常溫沖擊功為7～10 J，而堆焊耐磨板因其耐磨層存在大量貫穿裂紋，無法取得沖擊試樣。因此，采用真空燒結(jié)方式制備的鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板抗沖擊性優(yōu)于堆焊耐磨板。鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板沖擊斷口形貌見圖10。

從圖10（a）可以看出，Q235鋼基體部分斷口形貌呈典型的河流狀花樣特征，屬于脆性斷裂。這是因為基體顯微組織奧氏體晶粒發(fā)生粗化，魏氏組織中大量的鐵素體針片形成脆弱面，降低基體的塑韌性；從圖10（b）可以看出，鋼結(jié)硬質(zhì)合金斷口上存在大量由TiC顆粒剝落所造成的凹坑，凹坑周圍的白色發(fā)亮帶為粘結(jié)相。

2.6 耐磨性測試

鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板干砂試驗測得磨損失重為170.5 mg，堆焊耐磨板的干砂試驗測得磨損失重為209.4 mg，表明堆焊耐磨板的磨損失重高于鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板，鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板的磨損失重比堆焊耐磨板降低了18.6%，說明鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板的耐磨性優(yōu)于堆焊耐磨板。

3 結(jié)論

（1）通過真空燒結(jié)工藝制備的鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板基板未發(fā)生變形，表面無宏觀裂紋和孔洞，具有良好的金屬光澤；而堆焊耐磨板表面存在大量裂紋，且在高溫焊接熱源的作用下，基板變形量大，校正困難。從宏觀形貌上看，鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板無裂紋、基板變形小，且易于機械加工，優(yōu)于堆焊耐磨板。

（2）鋼結(jié)硬質(zhì)合金與基體結(jié)合界面存在寬度為140～160μm的互溶區(qū)，互溶區(qū)由靠近鋼結(jié)硬質(zhì)合金側(cè)的稀疏TiC顆粒區(qū)和靠近Q235鋼基板側(cè)的片狀珠光體區(qū)構(gòu)成；鋼結(jié)硬質(zhì)合金與基體結(jié)合界面有原子擴散現(xiàn)象，Mn由鋼結(jié)硬質(zhì)合金通過互溶區(qū)向基體中擴散，F(xiàn)e原子從基體通過互溶區(qū)向鋼結(jié)硬質(zhì)合金擴散；鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板洛氏硬度為55～60 HRC，界面剪切強度為340～382 MPa；鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板沖擊功為7～10 J，能夠承受一定的沖擊載荷；堆焊耐磨板因耐磨層存在大量裂紋，抗沖擊性差。由界面顯微組織及界面結(jié)合強度可以看出，鋼結(jié)硬質(zhì)合金與基板之間結(jié)合方式為冶金結(jié)合。

（3）在2種耐磨板顯微組織硬質(zhì)相占比相當?shù)臈l件下，TiC的顯微硬度是M7C3型碳化物的2～2.5倍，鋼結(jié)硬質(zhì)合金復合耐磨板的耐磨性相比堆焊耐磨板提高了18.6%，能夠服役于沖擊載荷下的惡劣磨損工況。