氮合金化堆焊硬面合金的抗冲蚀磨损性能研究.pdf

材料工程／２０１３年３期氮合金化堆焊硬面合金的抗冲蚀磨损性能研究ＥｒｏｓｉｏｎＷｅａｒＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓＲｅｓｅａｒｃｈｏｆ—ＮｉｔｒｏｇｅｎａｌｌｏｙｉｎｇＨａｒｄｆａｃｉｎｇＡｌｌｏｙ杨可，包晔峰（河海大学机电工程学院，江苏常州２１３０２２）—ＹＡＮＧＫｅ，ＢＡＯＹｅｆｅｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｏｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ２１３０２２，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）摘要：利用氮代替部分碳，通过铌、钒、钛固氮形成氮合金化堆焊硬面合金，进行了冲蚀角度３Ｏ。抗冲蚀磨损性能实验，深入分析了冲蚀磨损机理。结果表明：高速含砂水流的冲击磨损，对硬面合金产生明显切削和犁沟剥落，其磨损机制主要为微切削磨损。氮合金化堆焊硬面合金中碳氮化物沿马氏体基体和晶界弥散析出，在强化基体金属提高硬度的同时能有效抵御冲蚀粒子的切削，增强抗冲蚀磨损性能，其磨损特征表现为冲蚀粒子冲击后留下的切削、犁沟以及碳氮化物处造成的块状剥离。关键词：碳氮化物；硬面合金；冲蚀磨损—ｄｏｉ：ｉ０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１４３８１．２０１３．０３．００２中图分类号：ＴＧ４４２．３文献标识码：Ａ———文章编号：１００１４３８１（２０１３）０３０００６０４—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｎｉｔｒｏｇｅｎａｌｌｏｙｉｎｇｈａｒｄｆａｃｉｎｇａｌｌｏｙｄｅｐｏｓｉｔｅｄｌａｙｅｒｗａｓｍａｄｅｔｈｒｏｕｇｈｎｉｔｒｏｇｅｎｉｎｓｔｅａｄｏｆ—ｐａｒｔｏｆｃａｒｂｏｎａｎｄａｄｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｎｉｔｒｏｇｅｎｆｉｘｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｎｉｏｂｉｕｍ，ｖａｎａｄｉｕｍａｎｄｔｉｔａｎｉｕｍ．Ｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎｔｅｓｔｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄａｔｉｍｐａｃｔａｎｇｌｅｓｏｆ３０，ａｎｄｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎｗｅａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｈａｒｄｆａｃｉｎｇ—ａｌｌｏｙｗｅｒｅｄｅｅｐｌｙａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｓｐａｌｌｏｆｃｕｔｔｉｎｇａｎｄｆｕｒｒｏｗｗｅｒｅｏｂｓｅｒｖｅｄｏｎｓｕｒ—ｆａｃｅｏｆｈａｒｄｆａｃｉｎｇａｌｌｏｙｄｕｅｔｏｔｈｅｉｍｐａｃｔｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆｈｉｇｈｖｅｌｏｃｉｔｙｗａｔｅｒｆｌｏｗｗｉｔｈｓａｎｄ．Ｔｈｅｐｒｅｄｏｍｉｎａｎｔｅｒｏｓｉｏｎｗｅａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｈａｒｄｆａｃｉｎｇａｌｌｏｙｗａｓｍｉｃｒｏｃｈｉｐｓｂｙｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｏｆｅｒｏｓｉｏｎｐａｒｔｉｃｌｅｓ．Ａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｆｉｎｅｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄｅｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｌｙｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｄｏｕｔｏｆｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃｍａｔｒｉｘａｎｄｇｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｙｏｆｈａｒｄｆａｃｉｎｇａｌｌｏｙ，ｗｈｉｃｈｃａｎｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｍａｔｒｉｘｍｅｔａｌａｎｄｅｎｈａｎｃｅｈａｒｄｎｅｓｓｏｆｈａｒｄｆａｃｉｎｇａｌｌｏｙ．Ｓｏｔｈｅｈａｒｄｆａｃｉｎｇａｌｌｏｙｃａｎｂｅｐｒｏｔｅｃｔｅｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｆｒｏｍｗｅａｒｉｎｇｏｆｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎｐａｒｔｉｃｌｅｓａｎｄｔｈｅ—ｅｒｏｓｉｏｎｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｈａｒｄｆａｃｉｎｇａｌｌｏｙｗａｓｉｍｐｒｏｖｅｄｓｌｉｇｈｔｌｙ．Ｔｈｅｗｅａｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎａｌｌｏｙｉｎｇｈａｒｄｆａｃｉｎｇａｌｌｏｙｗａｓｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅｄｃｕｔｔｉｎｇ，ｆｕｒｒｏｗａｎｄｂｌｏｃｋｄｅｓｑｕａｍａｔｉｏｎａｔｔｈｅｐｌａｃｅｏｆｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄｅｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎｐａｒｔｉｃｌｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄｅ；ｈａｒｄｆａｃｉｎｇａｌｌｏｙ；ｅｒｏｓｉｏｎｗｅａｒ在水力机械中，不锈钢材料被广泛应用于制造水轮机的叶片等水力设备动力装置，这些水力装置常受到水流泥沙的冲蚀，易受到严重磨蚀ｌ＿】］。通过使用表面堆焊技术在磨损后的水力装置部件表面熔敷一层硬面合金，可使这些磨损部件现场快速修复，并使其恢复甚至超过其原有抗磨损能力Ｅ４，５］。目前硬面合金材料普遍采用碳合金化提高使用硬度，使基体中分布大量碳化物质点增强耐磨性能。但此类硬面合金材料具有：（１）碳当量高，抗焊接裂纹性能差；（２）碳化物易沿晶界呈网状析出，耐蚀性能一般；（３）塑性较低，承受高应力易剥落等三方面明显的缺点］。ＬｅｅＫ．Ｙ．等研究结果表明ｌ８］，增强或改善材料耐磨性的有效途径是提供材料的表面硬度和强韧性，较为理想的组织结构为坚韧、连续的基体上均匀分布硬度高、稳定性好的质点。ＨｅｒｔｚｍａｎＳ．等［１０，１１￣研究认为氮与碳均为间隙溶质原子，并都能与铌、钛等合金元素形成弥散分布的第二相质点，并且氮对焊接性能影响较小，在焊接过程中不会出现裂纹。在堆焊硬面合金中以氮代替碳，可提高抗焊接热裂性能；同时添加固氮合金元素形成碳氮化物粒子，通过细化晶粒和氮合金化堆焊硬面合金的抗冲蚀磨损性能研究的弥散析出，起到明显的细化晶粒和沉淀强化作用，使得板条马氏体既具有较高的强度，又保持良好的韧性，既能增强抗高速含砂水流冲击作用，同时又能有效抵御冲蚀粒子的高速切削，从而减少冲蚀磨损质量损失降低磨损率，提高堆焊硬面合金的抗冲蚀磨损性能。３结论（１）堆焊硬面合金的冲蚀磨损由切削和犁沟剥落形成，其磨损机制主要为微切削。（２）氮合金化堆焊硬面合金中析出物弥散分布，尺寸细小，起到了明显的细化晶粒和沉淀强化作用，既能增强抗高速含砂水流冲击作用，同时又能有效抵御冲蚀粒子的高速切削，从而减少冲蚀磨损质量损失降低磨损率，提高堆焊硬面合金的抗冲蚀磨损性能。（３）氮合金化堆焊硬面合金的冲蚀磨损特征表现为冲蚀粒子冲击后留下的切削、犁沟以及碳氮化物处造成的块状剥离。［１］Ｅ２３［３］Ｅ４］［５３［６］［７］参考文献ＪＯＮＥＳＬＣ．Ｌｏｗａｎｇｌｅｓｃｏｕｒｉｎｇｅｒｏｓｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆｅｌａｓｔｏｍｅｒｉｃ—ｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，２０１１，２７１（９－－１０）：１４１１１４１７．刘国宇，鲍崇高，张安峰．不锈钢与碳钢的液固两相流冲刷腐蚀—磨损研究［Ｊ］．材料工程，２００４，（１１）：３７４０．————ＬＩＵＧｕｏｙｕ，ＢＡＯＣｈｏｎｇｇａｏ，ＺＨＡＮＧＡｎｆｅｎｇ．Ｓｔｕｄｙｏｎｅｒｏ—ｓｉｏｎｃｏｒｒｏｓｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｍｅｔａｌｍａｔｅｒｉａｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ—Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００４，（１１）：３７４０．奚运涛，刘道新，韩栋，等．低温离子渗氮提高２Ｃｒ１３不锈钢的—冲蚀磨损与冲刷腐蚀抗力Ｉ－ｊ］．材料工程，２００７，（ｕ）：７６８１．———ＸＩＹｕｎｔａｏ，ＬＩＵＤａｏｘｉｎ。ＨＡＮＤｏｎｇ，ｅｔａ１．Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｅ————ｒｏｓｉｏｎｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆ２Ｃｒｌ３ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｂｙｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｌａｓｍａｎｉｔｒｉｄｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，—２００７，（１１）：７６８１．刘娟，许洪元，齐龙浩．水力机械中冲蚀磨损规律及抗磨研究进—展［Ｊ］．水力发电学报，２００５，２４（１）：１１３１１７．——ＬＩＵＪｕａｎ，ＸＵＨｏｎｇｙｕａｎ，ＱＩＬｏｎｇｈａｏ．Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ———ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅａｂｒａｓｉｖｅｒｕｌｅｓａｎｄａｎｔｉａｂｒａｓｉｖｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｈｙｄｒａｕ＿ｌｉｃｍａｃｈｉｎｅｓｒ，Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００５，２４（１）：１１３１１７．杨可，张志玺，胡网勤，等．１Ｃｒｌ３ＮｂＴｉ不锈钢堆焊材料氮合金化分析ｒ—，３３．焊接学报，２０１２，３３（２）：１３１６．———ＹＡＮＧＫｅ，ＺＨＡＮＧＺｈｉｘｉ，ＨＵＷａｎｇｑｉｎ，ｅｔａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎ－ａｌｌｏｙｉｎｇｄｅｐｏｓｉｔｅｄｍａｔｅｒｉａｌｏｆ１Ｃｒｌ３ＮｂＴｉｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣｈｉｎａＷｅｌｄｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ，２０１２，３３—（２）：１３１６．ＫＩＲＣＨＧＡ￣ＮＥＲＭ，ＢＡＤＩＳＣＨＥ，ＦＲＡＮＥＫＦ．Ｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆ—ｉｒｏｎｂａｓｅｄｈａｒｄ［ａｃｉｎｇａｌｌｏｙｓｕｎｄｅｒａｂｒａｓｉｏｎａｎｄｉｍｐａｃｔ［Ｊ］．ｗｅａｒ．——２００８，２６５（５６）：７７２７７９．ＨＡＮＬ０ＮＤＮ．ＲＡＩＮＦＯＲＴＨＷＭ．Ｔｈｅｒｏｌｌｉｎｇｓｌｉｄｉｎｇｗｅａｒｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ１ｙｐｒｏｃｅｓｓｅｄａｎｄｓｐｒａｙｆｏｒｍｅｄｈｉｇｈｓｐｅｅｄ［８］［９］［１０］［１１］［１２］［１３］［１４］［１５］ｓｔｅｅｌａｔａｍｂｉｅｎｔａｎｄｅｌｅｖａｔｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒ，Ｊ］．ｗｅａｒ，２００３，２５５（７——１２）：９５６９６６．—ＬＥＥＫＹ，ＬＥＥＳＨ，ＫＩＭＹ，ｅｔａ１．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆａｄｄｉｔｉｖｅｅｌｅ—ｍｅｎｔｓｏｎｔｈｅｓｌｉｄｉｎｇｗｅａｒｂｅｈａｖｉｏｒｏｆＦｅｂａｓｅｈａｒｄｆａｃｉｎｇａｌｌｏｙｓ—ＥＪ］．Ｗｅａｒ，２００３，２５５（Ｉ一６）：４８１４８８．ＡＲＡＢＩＪＲ，ＨＡＲＡＴＩＥ，ＳＨＡＭＡＮＩＡＮＭ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｓｕｒｆａｃｅ—ａｌｌｏｙｉｎｇｏｎｍｉｃｒ０ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｗｅａｒｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｄｕｃｔｉｌｅｉｒｏｎｓｕｒ———ｆａｃｅｒｍｏｄｉｆｉｅｄｗｉｔｈａｎｉｃｋｅｌｂａｓｅｄａｌｌｏｙｕｓｉｎｇｓｈｉｅｌｄｅｄｍｅｔａｌａｒｃ—ｗｅｌｄｉｎｇ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＤｅｓｉｇｎ，２０１１，３２（３）：１５３１１５３６．ＨＥＲＴＺＭＡＮＳ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ—ａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｈｉｇｈｌｙａｌｌｏｙｅｄｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｗｅｌｄｓｒ，Ｊ］．ＩＳＩＪＩｎ—ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２００１，１４（６）：５８０５８９．ＢＡＺＡＬＥＥＶＡＫＯ．Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｏｎ—ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｔｅｅｌｓ（ａｒｅｖｉｅｗ）［Ｊ］．ＭｅｔａｌＳｃｉ——ｅｎｃｅａｎｄＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔ，２００５，４７（９１０）：４５５４６１．ＨＡＷＫＪＡ，ＳＩＭＭ０ＮＳＪＷ，ＲＡＷＥＲＳＪＣ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎａｌｌｏｙｉｎｇｏｎｔｈｅｍｉｃｒ０ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄａｂｒａｓｉｖｅｗｅａｒｏｆｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，—１９９４，３（２）：２５９２７２．—ＹＡＮＧＫ，ＹＵＳＦ，ＬＩＹＢ，ｅｔａ１．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄｅｐｒｅｃｉｐｉ—ｔａｔｅｓｏｎｔｈｅａｂｒａｓｉｖｅｗｅａｒｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆｈａｒｄｆａｃｉｎｇａｌｌｏｙｒ，Ｊ］．Ａｐ—ｐｌｉｅｄＳｕｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ，２００８，２５４（１６）：５０２３５０２７．林福严，邵荷生．低角冲蚀磨损机理研究［Ｊ］．中国矿业大学学—报，１９９１，２０（３）：２８３４．—ＬＩＮＦｕｙａｎ，ＳＨＡＯＨｅ－ｓｈｅｎｇ．Ｓｔｕｄｙｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｍｅｔａｌｅｒｏｓｉｏｎａｔｌｏｗｉｍｐａｃｔａｎｇｌｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ—ＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９１，２０（３）：２８３４．杨可，余圣甫，陶潘峰，等．硬面合金中碳氮析出物的研究口］．—郑卅ｌ大学学报，２００９，３０（１）：５７６０．———ＹＡＮＧＫｅ，ＹＵＳｈｅｎｇｆｕ，ＴＡＯＰａｎｆｅｎｇ，ｅｔａ１．Ｓｔｕｄｙｏｎｃａｒ—ｂｏｎｉｔｒｉｄｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓｉｎｈａｒｄｆａｃｉｎｇａｌｌｏｙｗｉｔｈｎｉｔｒｏｇｅｎｓｔｒｅｎｇｔｈｅ—ｎｉｎｇ［－Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｈｅｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００９，３０（１）：５７６０．［ｉ６］ＹＡＮＧＫ，ＹｕＳＦ，ＤＥＮＧＹ，ｅｔａ１．ＭｉｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｗｅａｒｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｈａｒｄｆａｃｉｎｇａｌｌｏｙｗｉｔｈｎｉｔｒｏｇｅｎｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｒＪ］．［１７］［１８］—ＣｈｉｎａＷｅｌｄｉｎｇ，２００９，１８（３）：５１５４．Ｓ０ＵＲＭＡＩＬＴ．Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｉｎｃｒｅｅｐｒｅｓｉｓｔａｎｔａｕｓｔｅｎｉｔｉｃｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００１，１７（１）—１１４．陈永清，陈登崖，顾佩芝．韧性材料冲蚀磨损的机理研究［Ｊ］—上海交通大学学报，１９８９，２３（３）：９９１０６．———ＣＨＥＮＹｏｎｇｑｉｎｇ，ＣＨＥＮＤｅｎｇｙａ，ＧＵＰｅｉｚｈｉ．Ｅｒｏｓｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｄｕｃｔｉｌｅｍａｔｅｒｉａｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉ—ｖｅｒｓｉｔｙ，１９８９，２３（３）：９９１０６．基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１１０１０５０）；江苏省自然科学基金资助项目（ＢＫ２０１１２５７）———收稿日期：２０１２０３２Ｏ；修订日期：２０１２０６一ＯＩ作者简介：杨可（ｉ９８３～），男，副教授，博士，主要从事新型焊接材料开发与冶金行为的研究和教学工作，联系地址：江苏省常州市河海大学机——电工程学院（２１３０２２），Ｅｍａｉｌ：ｙａｎｇｋｅｈｈｕｃ＠１２６．ｃｏｒｎ