碳化钨对硬裂涂层磨料磨损的影响

抽象的

本研究的目的是研究磨料磨损损失以及具有在不同摩擦轮测试（FWT）配置中的基质中包含和不具有钨碳化物（WC）的硬焊层的磨损机制。关于旋转轮的材料在旋转轮的材料上变化，焊料和橡胶材料用于实现变化的磨损机制作为石材研磨的代表性条件以及低密度的木材切割过程。包括WC的细颗粒的涂层突出了橡胶轮测试条件中的磨料磨损的最高抗性，在该磨料中的磨料磨损在该磨料中作为主导作用。与没有WC的HardFacings相比，平均材料损失大大降低了约75％。相反，如果钢轮用作旋转对应物，则与没有WC的条件相比，细胞增强涂层的平均材料损失增加至93％。因此，与没有WC的情况相比，具有相当粗糙的WC的涂层揭示了最小的材料损失超过70％。总之，在硬裂涂层中包含WC显着提高了耐磨性。实验磨损试验结果突出了这样一个事实，以实现最佳耐磨性，考虑到在职条件下的主要磨损机制，需要适当地定义性能的材料特性。

1.介绍

机械部件的磨损和撕裂的经济价值4.5％的国家产品[1］．除了附着力，侵蚀，烦恼，疲劳和卷曲过程之外，大多数人涉及磨料磨损，约75至80％[2］．特别是在采矿，农业和林业，工具和机械部件都强烈暴露在矿物质，地球和木材等涂抹磨料中。磨料磨损是由于硬颗粒或硬凸起物在固体表面上受到挤压或移动而引起的磨损。［3.］．发生三体磨料磨损“磨损通过在接触表面之间引入或产生的松散颗粒产生”．这两种类型都会导致将材料从表面机械地移走或移走，或两者兼而有之。，称为刮擦。失去材料导致结构的弱化，并进一步替代磨损部位[4］．此外，木材切削工具的逐步钝化导致燃料消耗大大增加和增强罚款[5，6］．在最坏的情况下，磨损可能导致零件或整个组件的总失效。增加使用寿命的常见方法是在金属部件上的硬盘层应用[7］．在磨损层的情况下，可以更换，并且该工具可以是可重复使用的。硬折叠层的定义通常难以处理。根据涂层工具或部件的应用，不同的磨损机制导致各种磨损表面。此外，部件通常循环加载或暴露于撞击，这还减少了寿命[8，9］．对于这种应用，需要使用适当的硬坯层，这应该含有轻微的缺陷和没有裂缝。具有粒径的粗钨（WC）涂层，粒径大于一毫米，主要用于加工行业中的破碎工具[10，例如，对于木材的粉碎，因为除了高耐磨性，切割效果是加强。铁基中含有粗WC以减少磨损的潜力[10]显示在近现实生活中的现实生活中[11］．测试是利用一个磨盆进行的，里面装满了石英岩作为磨料，导致磨砂表面。与不含碳化物的马氏体堆焊层相比，粗WC堆焊层的耐磨性最高。相反，在[8，11，12包含这种粗颗粒的包含在环状载荷下诱导寿命的大量降低。碳化钨作用于缺陷，大大降低了疲劳强度。为了降低纯磨料磨损行为，可以包括碳化钨的细硬颗粒[9］．在叶轮滚轮装置上进行的试验表明，在镍基中高密度分布的这种小碳化物的夹杂物在高能量级上的抗冲击性能比马氏体材料要低[9］．适当的磨损磨损试验过程的定义是一项艰巨的任务，因为使用的硬和锋利的磨料;测试设备也强烈暴露于磨损。测试和比较领域中的不同性硬折叠层是一个持久的过程[13］．为了减少现场试验并在这种硬层的耐磨性上获得有意义的结果，在过去的几十年中已经建立了几种方法[14，15］．其中一种最常见的方法是使用摩擦轮测试（FWT），从归一化标准测试之后知道[16]湿浆料和钢轮和[17用干砂和橡胶轮。因此，磨料被送入摩擦区之间，导致材料磨损。干性试验所需的砂是渥太华硅石[17］．氧化铝具有较高的硬度和耐磨性，推荐用于“现代抗磨材料”除了二氧化硅还[18］．在FWT中测试涂层，包括带有橡胶轮的分散碳化钨，基本上是不常见的。因此，硬质和锋利形成的碳化物就像小切削齿在相对软的车轮。用钢摩擦轮代替软橡胶轮是一种在高温下测试材料的方法，用于[19]调查温度和负荷效应。这里，模型示出了在施加钢摩擦轮时如何影响结果。摩擦区可以分为三个部分[19］．

（一世）入口区:物料进入摩擦区，在低负荷下进行犁轧，在高负荷下进行额外的多级破碎。(2)中心区：以下是最高的接触压力，通过施加低负荷和多级压碎和表面上的碎片在表面上的相互作用，导致滚动和浅碎。(3)出口区:是磨料以圆形或破碎状态离开摩擦区的区域。

用钢的橡胶轮的另一个替换在[20.- - - - - -23用于环境温度高、磨料磨损严重的陶瓷材料，如钢铁工业中的工厂。在这项工作中，同样的边界条件适用于改变钢和橡胶轮毂。基于磨损试验和分析，确定了本工作的科学目的:（一世）通过摩擦轮试验和金相检验对不同堆焊类型进行广泛的表征(2)两种不同摩擦轮组合物的涂层磨损机构的比较，暴露于木材铣削应用的铣削应用和切割应用(3)在钢轮试验配置下，对比了硬质合金堆焊层中粗碳化钨的堆焊效果（iv）适当施加硬坯涂层的建议，例如，用于木材收集行业中的高磨削工具（见[8)或研磨应用。

提出的结果和描述的测试概念以及分析方法支持正确选择堆焊涂层。通过对不同磨损机理的试验研究，为全面研究硬质合金对堆焊层磨粒磨损的影响提供了科学依据。由于FWT结构的变化，可以观察到碳化钨对磨损行为的有益影响的差异，这是优化硬面组件耐磨性的重要发现。为了验证实验结果，进行了三维表面扫描，以详细了解不同的磨损情况。

2。材料和方法

2.1。二手样本和材料表征

所研究的11种覆盖材料由不同的制造商根据确定的样品几何形状提供(图)1(一)）.对生产工艺有一般的了解;然而，详细的制造工艺参数是有信心的。基材由低碳钢S355J2薄片组成，薄片厚度为8毫米。S355J2的化学成分如表所示1［24］．

可以分组各种层;两个硬折叠类型包括粗糙WC，使用流动过程制造，如[25]，四个包括小型WC，由此用填充线（FW）产生两个系列，用等离子体转移的电弧（PTA）技术处理，并且用激光熔覆（LC）处理一个。两个参考系列没有WC，用实心线（SW）和填充线（FW）生产。数字1 (b)- - - - - -1（d）描绘与附带的WC和表格不同的分析系列2提供概述。

为了深入了解所支持的测试系列的基本化学成分，使用了CARL ZEISS EVO MA15型扫描电子显微镜(SEM)和牛津仪器的加速电压为15 kV (EDX)的能量色散x射线光谱学。通过切割试样允许维氏硬度测量从层的顶部向下到基材。所施加的力为5kg (HV5)。使用的机器是ZWICK ZHU2.5。

2.2。磨损试验

自行设计和使用的试验台是基于标准的ASTM G65和G105测试设备。磨损被一个旋转的轮子包围着，在这个轮子上，测试样品被压在根据选定的预测试结果确定的12公斤质量的负载上。在样品和40mm宽的砂轮之间，安装一个喷嘴，以在摩擦区进料(见图)2）.用300rpm保持恒定恒定，并且在两个步骤中分离测试程序。在第一步中初始加权之后，在3000轮旋转之后测量重量，并且在试验台中的第二次重新定位直到达到6000轮之后。由于焊接过程的结果不同，因此定义了第二步。为了评估刮擦电阻，两步之间和之后的体积损耗被定义为测量标准。因此，使用WLC / 3 / A2 / C / 2的称重机测量重量Radwag Waagen.，除以钢密度（见（1))。研磨材料是氧化铝WSK F46，筛分尺寸在300 - 425微米之间，使用它是因为它的锋利、硬度和比硅砂更好的可用性。

水箱在样品和旋转轮之间提供500克/分钟。对于每个系列，需要5千克砂，并在每个系列之前刷新，以确保可比的测试条件。由于具有相对增强的试样几何形状，进行了标准测试配置的建设性分歧，其在四点弯曲下也用于疲劳试验;看 [8，26］．每个测试系列包括三到四个标本。设想了两种不同的测试配置。所有标本在第一次配置中通过采用的硬化钢轮作为旋转对应物进行测试。没有课程WC的样品用橡胶轮测试。因此，施加硬度为60±5岸A的耐磨橡胶。在橡胶构型中不能测试具有粗糙WC的样品，因为钨晶粒的锐度导致对比较较软的旋转体的“切割”效应，导致不可行的测试条件。

3.结果与讨论

3.1。经测试样本的材料表征

每个测试系列的EDX分析结果如表所示3.．在分析包括WC的情况下，每个系列在矩阵和组合物中不同。

系列1、2、4、7和8的合金是以铁为基础的。比较1号系列和2号系列的基体，可以看出2号系列中添加了钨。镍合金在第3、5和6系列中分析，这些系列具有细WC(图)3（a）和3（b））;铁基4号系列还添加了细WC。堆焊层的基体是铁基，其中包括粗WC(编号7-8)。表中提供了EDX分析结果的概述3.，并且来自合金的SEM照片如图所示3（a）- - - - - -3 (h)．对比添加粗碳化钨(Nos 7-8)的层，可以看出颗粒在基体中的分布存在差异。而第七系列则显示了WC相对紧密的排列(参见图)1（d）和3（g）），第8系列非常略微代表（图3 (h)）.

图中描绘了所研究的试验系列的评估的维氏HV5硬度条件（施加的5kg的施加量负荷）的比较4．有些试样带有不同高度的堆焊层。因此，层的高度是由实际层的厚度标准化的。实心线和填充线的试验表明，除3号线外，硬度在厚度上的分布相当均匀。测试系列三呈单峰，硬度约800 HV5。这个值可以用包含的小碳化钨来解释。3号试验镍基比1号、2号铁天平试验镍基软，镀层厚度在600 ~ 725 HV5之间，硬度基本相同。另一个研究系列显示了硬度在堆焊层高度上的不均匀分布(图4（b））.这种“Zigzag”分布是由碳化钨的高含量引起的，从而测量WC颗粒的值超过1000HV5的硬度增加。桌子4总结了不同镀层的平均硬度和标准偏差随镀层厚度的变化。

３．２．磨损机制

由于使用不同的FWT配置，摩擦轮和测试样品之间会发生不同的磨损机制。以钢轮和橡胶轮测试的无碳化钨合金和细碳化钨合金为例，说明了不同的表面结构。

硬化钢轮和硬坯层的组合用作一种研磨机。氧化铝砂在对应物之间旋转（图5（a）)，然后它会不断地被挤压成更小的部分(图6 (b)），导致标本上的砂砾和遮罩表面（图5 (b)) [19］．由于磨料的持续破碎过程和破碎的磨损表面，因此不能排除微观冲击破碎样本表面。如果使用硬化的钢轮，则扫描真正的颜色可视化显示夹具磨损区域，如果包括精细碳化钨，则独立。穿过破旧区域的横截面切割描绘了由旋转钢轮和样本之间的轧制和开裂磨料引​​起的破碎表面（图7）.

相反，随着橡胶轮，相对锋利的沙子展示了嵌入软材料中的机会，并以一种切割工具组合起来（图5（a）），也提到[27］．这种测试代表纯磨料[9］．氧化铝未定义的切屑几何形状导致了表面上持续的微切割，用样品上的犁表示。用橡胶轮测试后表面多呈波浪状;在开始微切割后，持续的耕作过程导致一个波纹，平滑，有光泽的表面(图7）.如果包括精细WC，则在橡胶轮构造中，颗粒在磨损的表面上显然是打开的。可见少量的拔出细颗粒。除了破碎磨料之外，沿着硬坯层引线磨削，进一步向颗粒的钝化（图6 (c)）.

夹杂的粗碳化物(7-8号)部分嵌在钢基体中，被钢轮和移动磨料磨平。在固定碳化物前，材料损耗明显增大，而在颗粒后，材料损耗减小。加工磨料磨损导致周围基体的减少，对磨削材料的粘附作用降低，导致钨颗粒被拉出并产生孔洞。上述磨损机制通过三维表面扫描和真实彩色表面照片显示在图中8．

3.3。磨损测试结果

通过钢和橡胶轮的变化来研究相反的结果，通过相同的质量载荷，磨料，磨料的磨料，滑动速度和滑动距离（图9（a）和9（b）和10（a）和10（b））.

通常可以说，材料更加耐磨地装载橡胶轮构造，检测到增加的体积损失。用合金7和8号采用采用钢摩擦轮磨削磨料耐磨性的最大阻力，其尺寸包含粗糙的WC至2mm。测试系列7号展示了44.6毫米^3.体积损耗最低磨损，然后是8号系列，106.2毫米^3.．1号(SW)和2号(FW)显示出第二高的耐磨性(332.8 mm和321.7 mm)^3.体积损失）在钢摩擦轮和6000次旋转的配置中。尽管包括利用钢摩擦轮的小型WC，但材料No.3,4,5和6具有相对高材料的去除。由于研磨剂在摩擦轮和样本之间的旋转中，所包含的小型WC的层较低的耐磨性的原因可能是潜在的冲击或冲击。

用橡胶轮测试观察到相反的结果。其中测试系列1号和第2号表现出钢摩擦轮的最低体积损失，这两个系列正在展示从橡胶轮构造的测试系列中的最高材料损失。这种配置中最具耐抗性系列是包含小型WC的合金。所有这些都显示出小于400毫米的次要平均材料损失^3.在橡胶轮6000旋转之后，PTA合金以约200毫米的这种类型的磨损表现出最高抗性^3.物质损失。用包括的小型WC的合金的类似磨损行为如[9在识别出具有橡胶的FWT的纯磨料加载的高抗性的情况下，相反，如果负载变为高撞击，并且从合金中除去少量碳化物，则相反。在图中10（a）和10（b），显示钢和橡胶轮的滑动距离上的体积损失。可识别在试验台中重新定位后，减少体积减小从3000到6000的旋转略微降低。这可以解释，因为在运行时段后的摩擦表面的增加，然后降低接触压力。桌子5总结了FWT中两种配置的平均值和STD。

4.结论

这项工作调查了钢和橡胶摩擦轮组合物下与碳化物（WC）的不同性硬化层的磨损行为，以实现不同的磨损机制。总共，评估八种不同的硬渣层的磨料耐磨性。具有粗WC的合金揭示了摩擦钢轮磨损下的最高耐磨性，最大体积损失约为100毫米^3.6000年以后革命。相比之下，平均体积损失约为350毫米^3.在没有WC的测试系列的情况下被观察到，高达约800毫米^3.如果在试验过程中采用相同的钢轮结构，则试样中含有相当细的碳化钨。重点研究了橡胶轮检测中WC粗会对软轮造成损伤;因此，实验研究是不可行的。然而，由于与钢轮不同的磨损机制，在基体中包含细WC的试样显示出平均体积损失高达400 mm^3.，没有WC的样品展示了约1200毫米的平均值^3.．总之，包含粗钨碳化物的合金揭示了磨料负荷下使用的高潜力。与钢摩擦轮的测试表明，与较高量的WC相比，硬坯层内的较低量的WC不会显着降低耐磨性。由于处理层内的每种WC都可以作为缺陷或缺陷的一种，这可以大大降低循环载荷下的疲劳强度[8]获得足够的数量和分布粗wc颗粒是至关重要的。总之，在包括WC的坚硬面涂层的磨损和疲劳性能的优化强烈取决于所得磨损和疲劳强度之间的折衷。特别是在暴露于磨料磨损和机械载荷的组件的情况下，需要特别注意这些层对疲劳和耐磨性的影响。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

披露

作者很高兴参加进一步的讨论并在可能的情况下提供进一步的信息。

的利益冲突

提交人声明有关本文的出版物没有利益冲突。

致谢

这项工作是由MontaniversitätLeoben的机械工程主席，与Komptech GmbH合作。特别感谢奥地利研究促销机构（FFG），由联邦交通，创新和技术（BMVIT）和联邦经济和劳工（BMWA）以及所有行业合作伙伴的联邦部门提供资金用于供应材料和制造工作。

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