SiC钢基表面复合材料冲蚀磨损性能研究

不同石英砂粒度下SiC/钢基表面复合材料冲蚀磨损性能研究

张玉萍

（陕西航空职业技术学院 材料与建筑工程学院，陕西 汉中 723102）

摘要：在自制的浆料冲蚀磨损试验机上研究了不同石英砂粒度下SiC/钢基表面复合材料的冲蚀磨损性能。基体对SiC颗粒的“支撑作用”和SiC颗粒对基体的“保护作用”因SiC粒子在浆料的冲击和切削的共同作用下部分脱落而削弱，由此造成复合材料的相对耐磨性降低。当浆料中石英砂粒子尺寸增大时，该复合材料的冲蚀磨损率增大；而增强粒子SiC的尺寸增大时，SiC/钢基表面复合材料的冲蚀磨损耐磨性能提高。

关键词：石英砂粒度；冲蚀磨损；SiC/钢基表面复合材料

现代工业生产用于输送固体粉料的设备中,都存在严重的固体离子冲蚀造成的磨损,如矿山选矿输送矿浆、电厂输送煤粉和粉煤灰、油田输送泥浆及航道疏通等所用的各种泵及管道的磨损。随着生产规模的扩大,输送量的增加,泵的过流部件及管道的磨损也日趋严重,由此造成了巨大的人力、物力和能源的消耗[1]。因此,开发新型耐磨材料,提高冲蚀磨损条件下易损件的使用寿命,是迫切需要研究解决的问题。研究表明,材料的冲蚀磨损性能主要取决于材料的硬度,但目前金属材料硬度提高有限,而陶瓷材料具有高硬度,适合冲蚀磨损场合应用,但其难以加工的特点也限制了其应用。因此,基于金属和陶瓷的特性,人们通过铸渗方法将二者复合,开发了陶瓷-金属复合材料[3～6],目前主要的复合粒子是WC。由于SiC成本低廉,硬度高,所以本文选用SiC粒子为增强粒子,制备了SiC/钢表面复合材料,并研究其冲蚀磨损特性,以期使该复合材料能够在工业生产中应用。 1.冲蚀磨损试验条件

本冲蚀磨损试验的试验条件如下: (1)冲蚀粒子：20~50目和70~100目石英砂； (2)试验温度：室温； (3)冲蚀速度：11.1m/s； (4)浆料浓度：8.2%；

(5)冲蚀角度：30?、60?、90?；

(6)冲蚀试样：Q235钢、高铬铸铁、低铬铸铁、复合材料（20目SiC颗粒增强）。 2.冲蚀磨损试验结果

[2]

不同石英砂粒度下材料的冲蚀磨损试验结果如表1所示。从表中可以看出浆料中石英砂粒度对冲蚀试样的冲蚀磨损性能有很大的影响。石英砂磨料粒度越大，单位时间内造成试验材料的失重量越大，材料越不耐冲蚀磨损。

表1 不同石英砂粒度下材料的冲蚀磨损试验结果

单位时间试样的失重量δ（mg/h）

冲蚀角度

磨料粒度

Q235

20~50目

30?

70~100目 20~50目

60?

70~100目 20~50目

90?

70~100目

4.9

6.3

8.5

4.2

5.0 8

6.3 13.2

10.1 9.3

4.7 7.3

3.8 9

3.6 10.1

4.8 12.5

2.2 7.6

6.2

高铬铸铁 5.1

低铬铸铁 6.4

复合材料(20目SiC)

2.6

3.试验结果分析

Q235钢、高铬铸铁、低铬铸铁和复合材料在不同冲蚀角度下的冲蚀磨损率与浆料中石英砂粒径的关系，如图1所示。在30?冲蚀角下，几种试验材料的冲蚀磨损率都随石英砂粒径的增大而增加，如图1(a)所示。从为使材料表面损伤要求冲击粒子要有一定的能量考虑，在冲击速度为定值的情况下，对于某种比重一定的粒子，粒径大的动能大，冲击表面会造成较严重的损伤。

对复合材料而言，在30?冲蚀角下20~50目石英砂冲蚀磨损率与70~100目石英砂冲蚀磨损率相差最小（15%），这表明在低角度冲蚀磨损和其它外界试验 条件一定的情况下磨料动能对复合材料冲蚀磨损性能的影响不起关键作用，因为低角度冲蚀磨损时复合材料的冲蚀磨损机理为固体粒子对材料表面切削和犁削，而复合材料中增强颗粒的存在能够有效降低石英砂粒子的动能，从而使磨料的大小对复合材料冲蚀磨损率影响最小。

图1(b)和图1(c)为Q235钢、高铬铸铁、低铬铸铁和复合材料在60?和90?冲蚀角度下的冲蚀磨损率与磨料粒径的关系。从图中可以看出在60?、90?冲蚀角度下Q235钢、高铬铸铁和复合材料的冲蚀磨损率在两种磨料的冲蚀下几乎相差一倍，而低铬铸铁在60?冲蚀角、70~100目石英砂冲蚀磨损下的磨损率在四种试样中仍然是最大的，而且与在20~50目石英砂冲蚀磨损下的磨损率比较相差不大，

这与低铬铸铁比较强的吸收冲击能的性质有关。

8642014 20~50目石英砂 70~100目石英砂12冲蚀磨损率/(mg/h) 20~50目石英砂 70~100目石英砂冲蚀磨损率/(mg/h)108642Q235高铬铸铁低铬铸铁复合材料0Q235高铬铸铁 低铬铸铁复合材料(a) (b)

1412冲蚀磨 损率/(mg/h) 20~50目石英砂 70~100目石英砂1086420Q235高铬铸铁 低铬铸铁复合材料

(c)

图1冲蚀材料在不同石英砂粒度下的冲蚀磨损率 (a) 30?冲蚀角 (b) 60?冲蚀角 (c) 90?冲蚀角

当浆料以较低的角度冲蚀磨损时，浆料对材料的破坏形式主要是切削磨损。但是由于增强颗粒SiC粒子的存在有效地降低了浆料中磨粒的动能，致使复合材料在低角度冲蚀磨损时磨损率较低且受浆料中石英砂粒子大小的影响较小，如图1所示。

图2为浆料中不同石英砂粒度下碳化硅增强粒子为20目的钢基表面复合材料经浆料冲蚀磨损后的表面SEM形貌。从中可以看出，当浆料中的石英砂粒度为20~50目时，其对复合材料的切削、犁削作用较大，颗粒表面和复合层基体上的沟槽都比石英砂粒度为70~100目时的大。同时，由于浆料中石英砂粒子的增大，其本身所具有的冲击能量也较大，促使受到冲击的碳化硅粒子碎裂。由于这两方面的原因，造成了复合材料的冲蚀磨损率随着浆料中石英砂粒子的增大而增大。

(a)

(b)

图2 不同石英砂粒度下的复合材料冲蚀磨损形貌（20目SiC增强，冲蚀角30?）

(a) 20~50目石英砂冲蚀 (b) 70~100目石英砂冲蚀

4.结论

在自制的射流式浆料冲蚀磨损试验机上研究了不同石英砂粒度下SiC/钢基表面复合材料冲蚀磨损性能，同时还研究了不同SiC粒度的SiC/钢基表面复合材料的冲蚀磨损性能，分析了冲蚀磨损机理，得出以下结论：

(1) 浆料中石英砂粒度对冲蚀试样的冲蚀磨损性能有很大的影响：浆料中磨料的粒度增大将增加材料的冲蚀磨损率。

(2) Q235的最高冲蚀磨损率出现在冲蚀角45?，冲蚀角大于45?冲蚀磨损率随冲蚀角的增大而减小；高铬铸铁冲蚀磨损耐磨性随冲蚀角的增大先增大后减小，在60?时冲蚀磨损率达到峰值；低铬铸铁在60?时冲蚀磨损率最大，其最小冲蚀磨损率出现在30?。

(3) Q235钢的冲蚀耐磨性一般，冲蚀磨损机理为切削磨损、显微切削；高铬铸铁的冲蚀磨损性能随冲蚀角度的增大而增大，冲蚀磨损机理为脆性断裂和薄片剥落，表现出典型的脆性材料冲蚀磨损特征；低铬铸铁在冲蚀角度小于45?时表现出了良好的冲蚀耐磨性，冲蚀磨损机理为切削、犁削。

参考文献

[1]张剑锋,周志芳.摩擦磨损与抗磨技术[M].天津:天津科技翻译出版公司,1993. [2]李诗卓,董祥林.材料的冲蚀磨损与微动磨损[M].北京:机械工业出版社,1987.

[3]RJK Wood.The sand erosion performance of coatings[J].Materials and Design,1999,20:179-191.

[4]Wood R J K,Mellor B G,Binfield M L.Sand erosionperformance of detonation gun applied tungsten carbide cobalt chromium coatings.Wear,1997,211:70-83.

[5]蒋业华,周荣,卢德宏,等.渣浆泵用WC/铁基表面复合材料的研究[J].铸造,2002,51(3):170-172.

[6]张玉勤，碳化钨颗粒增强铁基表面复合材料及其冲蚀磨损性能研究，昆明理工大学，2002-03-01