WC增强Cu-Ni-Mn高耐磨堆焊层及磨损机理研究

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磨损作为材料主要失效形式之一,每年给社会带来巨大的材料及能源消耗,造成巨大的经济损失。采用堆焊技术在易磨损工件表面熔覆耐磨损涂层不仅可以修复失效工件,而且能够大大延长工件服役寿命,从而降低材料与能源损耗。本论文设计了一种铸造碳化钨(WC)颗粒增强Cu-Ni-Mn金属基复合材料的药芯焊丝,采用堆焊方法在钢基板表面制备WC/Cu-Ni-Mn耐磨堆焊层,并对堆焊层进行时效处理,通过研究堆焊层的微观组织与界面以及耐磨损性能,揭示其高耐磨损机理及失效机制。研究了WC/Cu-Ni-Mn耐磨堆焊层在时效处理前后的微观组织及机械性能。结果表明,Cu-Ni-Mn金属基的微观组织主要由树枝晶组成,Ni、Mn原子固溶到Cu的晶格中取代了部分原来晶格中Cu原子的位置,形成了α-Cu固溶体;经时效处理后,Cu-Ni-Mn金属基树枝晶的晶界处析出了NiMn第二相。未时效Cu-Ni-Mn金属基硬度为125 HV0.2,时效后可达391 HV0.2;未时效Cu-Ni-Mn金属基的拉伸强度为473 MPa,断裂延伸率为33%,而时效后拉伸强度为832 MPa,断裂延伸率低于1%。WC/Cu-Ni-Mn耐磨堆焊层中没有气孔、裂纹或其它缺陷,体积分数达到63%的WC颗粒增强相均匀分布,并且在堆焊过程中无明显熔化烧损。测试了WC/Cu-Ni-Mn耐磨堆焊层的耐三体磨粒磨损性能,并分析了相应的磨损失效机理。当磨料为硅砂时,WC/Cu-Ni-Mn耐磨堆焊层的耐三体磨粒磨损性能达到高铬铸铁的4倍,其主要的磨损失效原因为塑性变形破坏和WC硬质相的破裂。研究了WC/Cu-Ni-Mn耐磨堆焊层在室温及350℃高温条件下的耐干摩擦磨损性能,分析了相应工况下的磨损失效机制。结果表明,相对于英国WA公司的高铬Fe-Cr-C耐磨堆焊层,在常温条件下未时效和时效后的WC/Cu-Ni-Mn耐磨堆焊层的相对耐磨粒磨损性能分别为1.83和2.26;而在350℃高温条件下未时效和时效后的相对耐磨粒磨损性能分别为1.90和2.39。在常温条件下,堆焊层的主要磨损机制为磨粒磨损破坏与黏着磨损破坏;在350℃高温条件下,堆焊层的磨损机制除磨粒磨损破坏和黏着磨损破坏之外,还包括堆焊层表面氧化,这种氧化有利于降低堆焊层的磨损破坏程度。对比分析了WC/Cu-Ni-Mn堆焊层在室温及350℃高温条件下的摩擦磨损行为。在室温及高温条件下的干摩擦磨损过程均包含跑合磨损和稳定磨损两个阶段。而在350℃高温条件下堆焊层表面氧化物在摩擦副之间充当了润滑剂的作用,使得其摩擦系数降低。然而受高温条件下堆焊层软化的影响,其干摩擦磨损量大于室温条件下磨损量。
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