提高混凝土泵耐磨板、耐磨環(huán)耐磨性的研究
2006-08-18 00:00
關(guān)鍵詞：耐磨性 等離子噴焊 鎳基臺(tái)金混臺(tái)粉末
混凝土泵是一種常用的建筑工程機(jī)械，利用混凝土泵可以將攪拌好的混凝土輸送至幾十米甚至上百米的高度。混凝土泵內(nèi)部有兩個(gè)柱塞缸，利用柱塞缸吸入混凝土再加壓輸送出去，如圖1所示。為了保證混凝土的連續(xù)輸送，兩個(gè)柱塞缸需輪換工作，當(dāng)一個(gè)柱塞缸壓送混凝土（柱塞向前）時(shí)，另一個(gè)柱塞缸吸入混凝土（柱塞向后）。因此混凝土泵上的耐磨環(huán)要在耐磨板上不斷地?fù)Q向滑動(dòng)，每分鐘換向次數(shù)達(dá)數(shù)百次，換向速度達(dá)到0．2 m／s。由于輸送混凝土的壓力很高，要求耐磨板與耐磨環(huán)之間必須保證密封配合，但是由于混凝土中的砂粒、水泥等會(huì)滲入耐磨板與耐磨環(huán)的接觸表面，使得該接觸表面迅速磨損，無(wú)法密封，因此需經(jīng)常更換。由于更換需用時(shí)間較長(zhǎng)，而且更換較困難，不僅影響混凝土泵的使用，還會(huì)使混凝土整體澆注質(zhì)量下降。因此如何提高耐磨板、耐磨環(huán)的使用壽命是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。
1 利用堆焊方法制作耐磨層
一般生產(chǎn)的耐磨板和耐磨環(huán)，是以低碳鋼為基體，在其接觸表面用耐磨焊條堆焊一層耐磨材料而形成耐磨層，如圖2所示。表1所示為實(shí)際生產(chǎn)中使用的堆焊層的金屬成分，堆焊焊條牌號(hào)為D608（GBEDZ—A1 08）。
采用堆焊方法制作耐磨層，所需生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作靈活，但堆焊時(shí)工件變形較大，易產(chǎn)生裂紋，質(zhì)量控制較困難，而且采用堆焊生產(chǎn)的耐磨板、耐磨環(huán)使用壽命較低，一般每輸送3 000～5 000m3混凝土即需要更換一次。因此，需要研究新的加工方法來(lái)提高耐磨板、耐磨環(huán)的使用壽命。
我們采用等離子噴焊技術(shù)，在耐磨板、耐磨環(huán)的配合表面噴焊一層耐磨鎳基合金粉末，獲得了良好的使用性能。
2 等離子噴焊耐磨板、耐磨環(huán)的試驗(yàn)研究
等離子噴焊工藝是一種先進(jìn)的表面強(qiáng)化技術(shù)，等離子弧溫度高，能夠噴焊難熔材料，并且噴焊速度快，生產(chǎn)效率高。圖3為等離子噴焊示意圖，合金粉末由氣體輸送入等離子弧區(qū)，在惰性氣體的保護(hù)下迅速熔化、噴焊于制備好的基體表面形成噴焊層。
2．1 等離子噴焊材料成分的分析
考慮耐磨板、耐磨環(huán)的耐磨層即要有高的硬度耐磨損，又要有一定的韌性抵抗剪切沖擊。所以我們選擇了在鎳基合金粉中加入一定比例的WC（碳化鎢）形成混合粉末，其化學(xué)成分見(jiàn)表2。
鉻在合金中具有多重作用，即可溶入固溶體成為合金的韌性基體，又可與碳、硼等元素形成第二相強(qiáng)化基體，增加噴焊層的耐磨性。硼和硅還具有自脫氧和造渣的作用。合金在熔化時(shí)，合金中的硼和硅被氧化，并在噴焊層表面形成薄膜，防止合金中的元素被氧化，從而獲得氧化物含量低、氣孔少的噴焊層。WC作為硬質(zhì)相的加入，進(jìn)一步提高合金的硬度和耐磨性，以上合金元素的綜合作用可達(dá)到多重強(qiáng)化的目的。
2．2 等離子噴焊工藝
基體材料選用30號(hào)鋼，噴焊層厚度為3～3．5mm，噴焊時(shí)采用的合金粉末熔點(diǎn)為1 000～1 400℃。試樣采用的等離子噴焊主要工藝參數(shù)如表3所示。
2．3 試樣制備
在等離子噴焊后的試樣上截取10*10 mm的樣品，經(jīng)拋光后，用王水腐蝕，在OLYPUS光學(xué)顯微鏡下對(duì)樣品進(jìn)行觀察分析。
另外分別從噴焊和堆焊（焊條牌號(hào)為D608（GBEDZ—A1 08））試樣上截取尺寸為5*5*17（mm）的樣品，在M-200型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)，采用HR-1 50型光學(xué)洛氏硬度計(jì)對(duì)試樣分別進(jìn)行了硬度測(cè)試，按照試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)程序分組進(jìn)行測(cè)試，考慮到堆焊工藝的不穩(wěn)定性，堆焊和噴焊每組各選用3個(gè)樣品。
2．4 組織與性能分析
在顯微鏡下可清楚的看到基體材料（左邊）和噴焊層（右邊）之間有一條曲折的白亮帶即為熔合區(qū)（見(jiàn)圖4）。熔合區(qū)呈起伏狀，主要是由于基材表面和噴焊層之間元素存在濃度梯度，在熔化過(guò)程中相互擴(kuò)散形成的冶金結(jié)合層。從圖5可以見(jiàn)到噴焊層中WC硬質(zhì)點(diǎn)，呈塊狀彌散分布在組織的基體上，WC的熔點(diǎn)較高（2 867 ℃），所以WC基本上能保留原來(lái)的形狀。X衍射分析表明，噴焊層的組織主要為 γ-Ni固溶體和Cr23C6、Cr7C3 等化合物。
等離子噴焊時(shí)合金元素一方面溶入γ 一Ni固溶體中，起到固溶強(qiáng)化作用；另一方面，在冷卻凝固過(guò)程中，C、B與Cr、Ni等元素形成NiB等化合物相，彌散分布在焊層基體上起到沉淀強(qiáng)化作用，加之WC硬質(zhì)相的存在，起到了多重強(qiáng)化的作用，使噴焊層具有抗磨料磨損的能力。分布均勻的硬質(zhì)相也能保護(hù)基體與磨料的直接接觸，減輕基體的磨損。這些共同作用使得噴焊層不僅具有較高的硬度還具有良好的耐磨性。從性能試驗(yàn)的比較可以看出等離子噴焊焊層的硬度及耐磨性都優(yōu)于堆焊樣品（見(jiàn)表4和圖6）。
2．5 使用效果
將利用等離子噴焊技術(shù)制作的耐磨板、耐磨環(huán)裝入混凝土泵中進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，結(jié)果其混凝土輸送量超過(guò)8 000 m3，比采用堆焊的耐磨板和耐磨環(huán)使用壽命提高近兩倍，達(dá)到了預(yù)期的效果。
為了防止變形，在試驗(yàn)中我們還采用了對(duì)被噴焊的耐磨板加固定板；噴焊前對(duì)耐磨板基體預(yù)熱（預(yù)熱溫度在550～650℃）；以及在噴焊過(guò)程中對(duì)耐磨板基體非噴焊區(qū)連續(xù)加熱等方法，盡量減少基體的溫度分布不均勻。為防止等離子噴焊后的應(yīng)力開裂，采用石棉保溫的方法緩慢冷卻。
3 結(jié)論
1） 用鎳基合金等離子噴焊的耐磨板和耐磨環(huán)具有較高的硬度和良好的耐磨性。比采用堆焊的耐磨板和耐磨環(huán)使用壽命提高近兩倍；
2） 等離子噴焊與傳統(tǒng)的堆焊相比減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率.
原作者： 畢大森 趙潤(rùn)嫻 張 建
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