微觀分析合金保護層的硬度及其抗磨損機理

無論采用何種“溶敷”或“等離子”等堆焊工藝手段，或是采用原元康公司研發的在機筒內孔離心鑄造合金層的工藝手段，其目的都是在機筒和螺桿的工作表面增加一層合金保護層，這種經濟有效地提高機筒和螺桿耐磨性能的方法已得到廣泛的認可和應用。合金保護層耐磨損性能的好壞往往可以直觀地用其“硬度”值來衡量，那么怎么來看待和分析這個“硬度”值呢？

硬度是表示材料抵抗硬物體壓入其表面的能力。它是衡量金屬材料軟硬程度的一項重要的性能指標，也可理解為是材料抵抗彈性變形、塑性變形和反破壞的一種能力。在相同的條件下，即在相同的磨擦系數、成分、組織和環境等條件下，材料的硬度和其耐磨性能存在非線性的正比關系，硬度越高，材料耐磨性能越好。

我們常用的硬度數值有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等，這些硬度數值的取得，都是需要以一定的載荷把一定大小的淬硬鋼球，或者金剛石圓錐體（或方形錐）壓入材料表面，保持一定時間后去載荷計算負荷與其壓痕面積之比值，因此布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等均是在宏觀的意義上反映材料的硬度，因此也常常被稱之為“宏觀硬度”。

材料科學研究人員普遍認同的觀點是，對大部分特種材料合金保護層而言，金屬材料的耐磨損性能其實與材料的“顯微組織”關系更大，而考察材料的顯微組織，我們可以依據其“顯微硬度”來判斷，其測量數值可以用諸如“莫氏硬度（或新莫氏硬度）”來判斷，這是一種不加負荷裝置的顯微鏡，可稱之為“顯微硬度計”。

為什么判斷合金保護層耐磨損性能我們需要采用“顯微硬度”呢？在說明這個問題之前，讓我們先來看看原元康早期研發的耐磨損型鐵基Ω101合金材料的構成特點。Ω101合金是一種鉻Cr-鎳Ni-堋B-硅Si-錳Mn系合金，在高溫熔融條件下材料中的這五大元素液化相變后分別與碳原子結合，形成了碳化鎳，碳化鉻，碳化錳和碳化硅等各種不同種類的碳化物，同時還形成了不同種類的硼化物。這些被稱之為“硬質相”的碳化物和硼化物的微小顆粒硬度非常高，是合金層抗磨損的中堅力量。熔融的材料在離心力作用下逐漸冷卻而被復合于雙金屬機筒母材的內孔表面，形成了一層特殊的馬氏體堋鑄鐵保護層（見圖1）。

圖1 雙金屬機筒金相

又例如原元康早期研發專用于既耐磨損又耐腐蝕的碳化鎢強化鎳基Ω301合金，這是一種碳化鎢占比高達35%的鎳基鉻Cr-硅Si-堋B-鈷Co系合金，這些合金元素在相變后同樣分別形成了占比不同的碳化鎳，碳化鉻，碳化硅和各類硼化物等，加上占比極大而硬度高達HRA92以上的陶瓷相碳化鎢，Ω301合金層的耐磨損性能由此可見一斑。

鎳基Ω301合金層的金相組織為枝晶狀的鎳基固溶體和枝晶間大量細小顆粒狀化合物的共晶組織（見圖2），其基相為Ni-Cr-Si系鎳基固溶體γ相，硬質相為黑色點狀（Fe. Ni）23C6及Cr的碳化物和硼化物，大量白色塊狀為未溶W2C和WC二種共晶混合物，這些硬質相具有顯微組織細小和彌散程度高的特點，使基體得以彌散強化和晶界強化，而部分熔融的WC則可使鎳基奧氏體基體得以固溶強化。正是這些硬質相對Ω301合金層材料的彌散強化，晶界強化和固溶強化，促使Ω301合金層剛性增強，具有了較高的宏觀硬度和相應的極高的抗磨損性能。

圖2 鎳基301合金的金相圖

探討擠出機的機筒螺桿磨損機理，我們可以分析得出：合金保護層內軟質基相在先期的摩擦中首先被稍微多磨掉了一些，從而在各類“硬質相”的周邊形成了一些空隙，這些空隙又正好容納了業已發生流變的高分子材料，而這些材料在這個時候卻起到了一定的“潤滑”作用，形成了無數個對機筒螺桿使用壽命有利的“減磨熔池”。一旦這些“硬質”顆粒被強烈的摩擦力帶走，這些“減磨熔池”會因再無“立身之地”而消失。這個磨損狀況周而復始地發生在機筒螺桿工況條件的兩大類摩擦磨損中，即發生在螺桿螺棱頂部合金保護層表面與機筒內孔合金層表面的“接觸摩擦”中，發生在螺桿螺棱不斷把高分子材料擠壓推向模頭的相互“剪切摩擦”中，在這些摩擦磨損中雙金屬機筒和雙金屬螺桿的合金保護層不斷減薄直至機筒螺桿最終失效。

根據上述磨損機理的分析，可以確定的是，合金層內上述各類碳化物和各類硼化物的硬質相占比越高，其抗磨損性能就越優異。然而在離心鑄造工藝和各類堆焊工藝過程中，我們又不得不面對合金層成型溫度難以掌控的困難。無論是溫度稍高，還是合金處于高溫下的時間稍長，硬質相都會被無情地“燒損”，從而降低這些硬質相的正常占比?；蛟S有人會問，金屬材料鎢的熔點高達3380℃，不用擔心高溫下被燒損吧？殊不知我們又遇到了另外一個挑戰：材料鎢的比重高達19.254克/厘米3，與平均比重僅為8.902克/厘米3的基材鎳-鉻合金相比較，碳化鎢重了2.16倍，在離心鑄造條件下，這些重量更大的碳化鎢硬質相會向離心力相對較低的母材與合金層交界面轉移，形成新的“硬質相偏析”，同樣帶來雙金屬機筒內孔工作表面硬質相占比減少的問題。

從微觀層面討論合金層的耐磨損性能，我們不得不重提上述的“硬質相偏析”問題。無論是具有合金保護層而應用于單螺桿擠出機的雙金屬機筒或者雙金屬襯套，還是整體橢圓型保護平行雙螺桿擠出機組合機筒的原元康公司研發的高鉻鑄鐵Ω101A合金內襯套和超硬高釩鑄鐵Ω102A合金內襯套，以及同樣具有合金保護層的碳化鎢強化鎳基Ω301橢圓內襯套，都是采用了各種鑄造工藝方法成型。例如雙金屬機筒和襯套采用“離心鑄造”成型，鑄鐵類橢圓內襯套采用“精密鑄造”成型，少部分采用粉末冶金高溫等靜壓PM-HIP工藝成型。具有鎳基合金保護層的橢圓內襯套則采用燒結鑄造成型，或者采用HIP鑄造成型。但凡鑄造，液態金屬總是會受到一個“力”的影響。離心鑄造會受到“離心力”的影響，精密鑄造會受到“地球重力”的影響，燒結鑄造和HIP鑄造會受到一定的壓力影響。從任何普通砂型鑄造，到壓力鑄造、連續鑄造或各類真空鑄造等，從微觀上分析，液態金屬材料中的硬質相隨各自比重的不同，或者隨“壓力”（包括真空鑄造的負壓）的不同而總是存在一定的偏析。在理論上微觀硬質相偏析在各類鑄造中是多多少少地存在，其存在是絕對的，其被控制是相對的。分析表明，在所有各類型的鑄造中，離心鑄造的硬質相更容易產生偏析，這是因為在所有種類的鑄造中，工件在離心運動中所受到的“離心力”更容易分離液態金屬材料中比重各自不同的硬質相，這個偏析無論是在臥式離心鑄造中或者是在立式離心鑄造中都表現得強烈，見圖3。

圖3 合金層與母材間的擴散區

集高溫、高壓于一體的高溫等靜壓PM-HIP鑄造工藝（見圖4），由于鑄造件在PM-HIP成型工藝前的粉末模內灌裝充填工藝獨特，鑄造件在等靜壓爐內的溫度處于臨界并各向受力均衡，臨界于相變的金屬內硬質相轉移或者偏析幾乎不存在條件，因此其偏析在各類型鑄造中表現最小，等靜壓合金層硬度的均勻和高致密度也是無可比擬的。

圖4 HIP工藝過程示意圖

縱觀各類鑄造成型或堆焊成型的合金保護層，無論是抗磨損類型的鐵基Ω101合金層，還是既耐磨損又耐腐蝕的鎳基Ω301合金層，我們了解到，合金層硬度在極大程度上依賴于其碳化物和硼化物這些硬質相，尤其是顯微硬度對于材料抗磨損性能的影響，有助于我們采取恰當的工藝手段來提高合金保護層中各類碳化物和各類硼化物硬質相的占比，從而有效地提升雙金屬機筒和雙金屬螺桿的使用壽命。