自贡长城硬面材料有限公司 四川 自贡 643011
摘要：许多工程在进行油砂开采时使用的金属工具并不具备极强的耐磨性以及抗腐蚀的能力，因此会制约油砂开采的工作进展。因此在工程中，对于较为关键的设备组件，通常使用碳化钨基复合涂层技术来增强设备或者工具的性能以保证开采工作的顺利进行。碳化钨基复合涂层的研究具有针对性，其性能的高低主要以磨损环境作为参考，本文主要研究不同的磨损条件下，碳化钨基复合涂层性能的改变情况，并深入探讨决定抗磨性能的关键因素，为相关工作的材料采购提供科学的依据，并充分改善相关设备的性能特征。
关键词：碳化钨；磨损性能；复合涂层
引言
碳化钨晶体具有类似于金刚石一样的化学稳定性，且碳化物本身具有非常高的硬度和强度，而且抗摩擦抗磨损能力强，因此经常被使用在一些对耐磨性能要求较高的工具中，比如开采矿山的钻头，海上航船的耐腐蚀部件，化学工程反应的容器，甚至于航天飞机的模具制造等。本文主要从油砂矿的开采工程入手，浅论不同的磨损条件对碳化钨基复合涂层基本性能的影响。
1 油砂开采中的磨损条件分析
当前的油砂矿开采主要采取的是露天工作方式，工程量较大，通常使用大型的卡车或者铲车对油砂进行开采，然后再将其运送到粉碎机中进行碾碎，再把加工油砂和其它添加剂混合溶解制成砂浆，最后通过特殊管道运送到萃取区就可以提取出生活中常用的沥青。在整个过程中，矿砂的碾磨对于破碎机器的零部件抗耐磨性能的要求极高，在阿尔伯塔地区，进行商业的油砂开采及加工的公司就是由于使用的设备材料抗腐蚀和抗耐磨性能不足，从而带来了较高的维护成本，间接性的给公司带来了一笔巨大损失。
另外，在进行沥青的萃取时，对于传输管道的抗腐蚀性以及磨损机的抗摩擦性都有具体的要求，尤其是磨损机在进行碾磨工作时，必须要使用耐磨性较高的材料进行涂层的保护，从而保证设备或者零部件的性能能够长期维持现状。工艺中常使用等离子喷焊的方式，对设备的表面直接喷涂碳化钨基的复合涂层增强设备的抗磨抗腐蚀性，从有实验数据表明，将使用该工艺手段进行加工后的零部件用于到碾磨设备的制作中，可以使设备的使用寿命延长500%。
除了油砂本身的性能，在油砂开采加工的过程中，油砂的冲蚀度对材料的性能也会产生巨大的影响，冲蚀度经常是根据矿砂颗粒的，硬度形状，种类或者尺寸来综合定义的。对于硬度较小或者尺寸较小的颗粒而言，它对于磨损性能几乎不会产生影响，但当颗粒的形状尺寸较大时，就会影响到碳化钨基金属复合涂层的耐磨特性。
2 碳化钨基复合涂层
等离子喷焊的方式进行碳化钨基复合涂层的制作时，常使用80%左右的镍基自熔合金粉和15%左右的碳化钨粉外加少量添加剂混合而成，然后使用型号为的喷枪进行等离子喷焊工艺，控制喷枪移动的平均速度约为，喷焊的厚度为400μm即可。
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3 实验步骤
对复合涂层进行性能研究时，通常要借助电子显微镜观察结构性能的改变，本实验选用的是可自动进行图像分析的的扫描电子显微镜，首先对喷焊层的组织性能以及成分进行分析，然后改变磨损条件对比复合涂层的耐磨性测试。
根据国际ASTM标准中的干砂/橡胶轮装置测定磨蚀的试验方法，首先确定该实验要进行多次的循环验证，对于放大的实验次数，使用混合的氯丁基橡胶来进行标定，然后分别使用尺寸范围不同的四种砂矿粒子进行抗磨抗腐蚀性能测试。按照ASTM标准要对实验的采样砂石颗粒实现进行研磨，然后要对所有样本进行高达6000次的循环测试，增加数据的科学性，在进行试验的过程中，第一次可能会将复合涂层上的碳化钨颗粒剥落掉，但之后的测试就能保证较好的稳定性了。
4 实验结果分析
4.1 涂层的成分分析
经电子显微镜扫描后，结合镍基碳化钨复合涂层表面扫描图可以发现，涂层中的碳化钨成分在镍基合金基体上均呈现均匀分布的特点，这是由于在或者化合物体系中，共晶碳化钨中的会产生分解，分解后形成的或者具有超强的化学稳定性，不易再与其他元素发生化学反应。除此之外，碳化钨晶体本身就是不易分解的稳定化合物，且具有耐高温性能，所以在喷焊沉淀的过程中，碳化钨颗粒不会发生结构上的破坏。因此，由于碳化钨晶体的抗热性能较为突出，在金属基复合涂层的制作上被广泛地使用。
4.2碳化钨基复合涂层的硬度分析
对复合涂层进行磨损条件下的硬度检测时，通过电子扫描的图像分析可以看到，从基体到喷焊涂层的硬度总体呈现越来越高的上升趋势，尤其在在基体与复合涂层的接触点上,由于基体中的元素与复合涂层的元素之间互相扩散开来，在显微镜下可以很明显的观察到硬度的差异性，接触面的硬度值刚好位于基体和涂层之间，这样很好的说明了碳化钨基复合涂层可以加强基体的硬度。而经过样本砂石的磨损试验后，显微镜下扫描的碳化钨基复合涂层的硬度性能图像对比值明显有下降的趋势，所以为了找出具体原因，还需要作进一步的磨损性能分析。
4.3 碳化钨基复合涂层的抗磨损性分析
上文已经提到，在进行磨损性能的测试时，使用了四种不同尺寸的砂石，实验结果表：
（1）尺寸最小即粒度范围小于45μm的砂石先对镍合金的基体产生的磨损，在电子显微镜下能清晰地观察到碳化钨颗粒中间被磨损出了沟槽，但对于碳化钨颗粒本身并没有产生较大的损坏，除了沟槽没有发生剥落现象，电子显微镜下并没有观察到颗粒碎片。对于53～270μm以及212～270μm的砂石颗粒，，实验的分析结果也是类似的。
（2）实验中在复合涂层制作中使用的6030M粉末和6040粉末的粒度范围均为53～180μm，这两种粉末的粒径都要比碳化钨颗粒的平均自由程大，根据实验结果推测，沙石颗粒的粒度应该要小于涂层和磨料进行接触时接触点的平均自由程，此时在碳化钨晶体之间就可以形成一个无阻碍通道，因为在研磨时，较大颗粒磨料的对于碳化物颗粒的破坏程度是比较明显的，它会在研磨表面产生了非常大的研磨压力，并且随着颗粒力度的不断增大，碳化物结构的破坏程度明显增强。
（3）在对6030M粉末进行最大粒径的砂石磨损程度测试时，涂层上产生了很明显的剥落现象，此时在电子显微镜下可以清楚的观察到镍合金基体和碳化物相的破坏程度。当使用粒度范围为550～830μm的砂石进行二次磨损实验时，会发现对涂层材料产生的损耗程度更大，这种情况产生的原因可能是由于碳化物颗粒已经被破坏并且被移除之后导致的。
（4）通过对6040粉末进行粒度范围为212～270μm和550～830μm砂石磨损试验，在显微镜下观察图层表面的组织性能分析，与6030M涂层的磨损结果做对比发现：当使用212～270μm沙子样本进行磨损时，6040镍金属基复合涂层的磨损程度明显要高于6030M复合涂层的磨损程度，综合分析得出两种可能导致其磨损程度出现差异的原因：一种是由于二次碳化物的沉淀使得碳化钨基体相变脆导致的磨损程度增加；另一种原因是由于碳化物颗粒增多而引起的轻微磨损。用粒度范围是550～830μm的粗砂颗粒进行磨损测试时，产生了较低的材料损耗。虽然在进行磨损测试的过程中，金属基体产生变形的磨损机理是大致相同的，但是相比较于6030M粉末，6040材料的损耗程度明显要更低，这可能和6040材料本身与碳化钨相上的断裂韧性有关。从碳化钨的结构上来说，由于碳化钨晶体本身具有与金刚石类似的六角晶体结构，不仅具有超强的化学稳定性而且具有很高的硬度，因此在复合涂层与粗砂进行磨损时不会出现较大的磨损现象。
论文作者:曾华,谢杰
论文发表刊物:《防护工程》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/22
标签：涂层论文; 磨损论文; 油砂论文; 碳化钨论文; 性能论文; 颗粒论文; 基体论文; 《防护工程》2018年第16期论文;