微观分析合金保护层的硬度及其抗磨损机理

无论采用何种“溶敷”或“等离子”等堆焊工艺手段，或是采用原元康公司研发的在机筒内孔离心铸造合金层的工艺手段，其目的都是在机筒和螺杆的工作表面增加一层合金保护层，这种经济有效地提高机筒和螺杆耐磨性能的方法已得到广泛的认可和应用。合金保护层耐磨损性能的好坏往往可以直观地用其“硬度”值来衡量，那么怎么来看待和分析这个“硬度”值呢？

硬度是表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，也可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形和反破坏的一种能力。在相同的条件下，即在相同的磨擦系数、成分、组织和环境等条件下，材料的硬度和其耐磨性能存在非线性的正比关系，硬度越高，材料耐磨性能越好。

我们常用的硬度数值有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等，这些硬度数值的取得，都是需要以一定的载荷把一定大小的淬硬钢球，或者金刚石圆锥体（或方形锥）压入材料表面，保持一定时间后去载荷计算负荷与其压痕面积之比值，因此布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等均是在宏观的意义上反映材料的硬度，因此也常常被称之为“宏观硬度”。

材料科学研究人员普遍认同的观点是，对大部分特种材料合金保护层而言，金属材料的耐磨损性能其实与材料的“显微组织”关系更大，而考察材料的显微组织，我们可以依据其“显微硬度”来判断，其测量数值可以用诸如“莫氏硬度（或新莫氏硬度）”来判断，这是一种不加负荷装置的显微镜，可称之为“显微硬度计”。

为什么判断合金保护层耐磨损性能我们需要采用“显微硬度”呢？在说明这个问题之前，让我们先来看看原元康早期研发的耐磨损型铁基Ω101合金材料的构成特点。Ω101合金是一种铬Cr-镍Ni-堋B-硅Si-锰Mn系合金，在高温熔融条件下材料中的这五大元素液化相变后分别与碳原子结合，形成了碳化镍，碳化铬，碳化锰和碳化硅等各种不同种类的碳化物，同时还形成了不同种类的硼化物。这些被称之为“硬质相”的碳化物和硼化物的微小颗粒硬度非常高，是合金层抗磨损的中坚力量。熔融的材料在离心力作用下逐渐冷却而被复合于双金属机筒母材的内孔表面，形成了一层特殊的马氏体堋铸铁保护层（见图1）。

图1 双金属机筒金相

又例如原元康早期研发专用于既耐磨损又耐腐蚀的碳化钨强化镍基Ω301合金，这是一种碳化钨占比高达35%的镍基铬Cr-硅Si-堋B-钴Co系合金，这些合金元素在相变后同样分别形成了占比不同的碳化镍，碳化铬，碳化硅和各类硼化物等，加上占比极大而硬度高达HRA92以上的陶瓷相碳化钨，Ω301合金层的耐磨损性能由此可见一斑。

镍基Ω301合金层的金相组织为枝晶状的镍基固溶体和枝晶间大量细小颗粒状化合物的共晶组织（见图2），其基相为Ni-Cr-Si系镍基固溶体γ相，硬质相为黑色点状（Fe. Ni）23C6及Cr的碳化物和硼化物，大量白色块状为未溶W2C和WC二种共晶混合物，这些硬质相具有显微组织细小和弥散程度高的特点，使基体得以弥散强化和晶界强化，而部分熔融的WC则可使镍基奥氏体基体得以固溶强化。正是这些硬质相对Ω301合金层材料的弥散强化，晶界强化和固溶强化，促使Ω301合金层刚性增强，具有了较高的宏观硬度和相应的极高的抗磨损性能。

图2 镍基301合金的金相图

探讨挤出机的机筒螺杆磨损机理，我们可以分析得出：合金保护层内软质基相在先期的摩擦中首先被稍微多磨掉了一些，从而在各类“硬质相”的周边形成了一些空隙，这些空隙又正好容纳了业已发生流变的高分子材料，而这些材料在这个时候却起到了一定的“润滑”作用，形成了无数个对机筒螺杆使用寿命有利的“减磨熔池”。一旦这些“硬质”颗粒被强烈的摩擦力带走，这些“减磨熔池”会因再无“立身之地”而消失。这个磨损状况周而复始地发生在机筒螺杆工况条件的两大类摩擦磨损中，即发生在螺杆螺棱顶部合金保护层表面与机筒内孔合金层表面的“接触摩擦”中，发生在螺杆螺棱不断把高分子材料挤压推向模头的相互“剪切摩擦”中，在这些摩擦磨损中双金属机筒和双金属螺杆的合金保护层不断减薄直至机筒螺杆最终失效。

根据上述磨损机理的分析，可以确定的是，合金层内上述各类碳化物和各类硼化物的硬质相占比越高，其抗磨损性能就越优异。然而在离心铸造工艺和各类堆焊工艺过程中，我们又不得不面对合金层成型温度难以掌控的困难。无论是温度稍高，还是合金处于高温下的时间稍长，硬质相都会被无情地“烧损”，从而降低这些硬质相的正常占比。或许有人会问，金属材料钨的熔点高达3380℃，不用担心高温下被烧损吧？殊不知我们又遇到了另外一个挑战：材料钨的比重高达19.254克/厘米3，与平均比重仅为8.902克/厘米3的基材镍-铬合金相比较，碳化钨重了2.16倍，在离心铸造条件下，这些重量更大的碳化钨硬质相会向离心力相对较低的母材与合金层交界面转移，形成新的“硬质相偏析”，同样带来双金属机筒内孔工作表面硬质相占比减少的问题。

从微观层面讨论合金层的耐磨损性能，我们不得不重提上述的“硬质相偏析”问题。无论是具有合金保护层而应用于单螺杆挤出机的双金属机筒或者双金属衬套，还是整体椭圆型保护平行双螺杆挤出机组合机筒的原元康公司研发的高铬铸铁Ω101A合金内衬套和超硬高钒铸铁Ω102A合金内衬套，以及同样具有合金保护层的碳化钨强化镍基Ω301椭圆内衬套，都是采用了各种铸造工艺方法成型。例如双金属机筒和衬套采用“离心铸造”成型，铸铁类椭圆内衬套采用“精密铸造”成型，少部分采用粉末冶金高温等静压PM-HIP工艺成型。具有镍基合金保护层的椭圆内衬套则采用烧结铸造成型，或者采用HIP铸造成型。但凡铸造，液态金属总是会受到一个“力”的影响。离心铸造会受到“离心力”的影响，精密铸造会受到“地球重力”的影响，烧结铸造和HIP铸造会受到一定的压力影响。从任何普通砂型铸造，到压力铸造、连续铸造或各类真空铸造等，从微观上分析，液态金属材料中的硬质相随各自比重的不同，或者随“压力”（包括真空铸造的负压）的不同而总是存在一定的偏析。在理论上微观硬质相偏析在各类铸造中是多多少少地存在，其存在是绝对的，其被控制是相对的。分析表明，在所有各类型的铸造中，离心铸造的硬质相更容易产生偏析，这是因为在所有种类的铸造中，工件在离心运动中所受到的“离心力”更容易分离液态金属材料中比重各自不同的硬质相，这个偏析无论是在卧式离心铸造中或者是在立式离心铸造中都表现得强烈，见图3。

图3 合金层与母材间的扩散区

集高温、高压于一体的高温等静压PM-HIP铸造工艺（见图4），由于铸造件在PM-HIP成型工艺前的粉末模内灌装充填工艺独特，铸造件在等静压炉内的温度处于临界并各向受力均衡，临界于相变的金属内硬质相转移或者偏析几乎不存在条件，因此其偏析在各类型铸造中表现最小，等静压合金层硬度的均匀和高致密度也是无可比拟的。

图4 HIP工艺过程示意图

纵观各类铸造成型或堆焊成型的合金保护层，无论是抗磨损类型的铁基Ω101合金层，还是既耐磨损又耐腐蚀的镍基Ω301合金层，我们了解到，合金层硬度在极大程度上依赖于其碳化物和硼化物这些硬质相，尤其是显微硬度对于材料抗磨损性能的影响，有助于我们采取恰当的工艺手段来提高合金保护层中各类碳化物和各类硼化物硬质相的占比，从而有效地提升双金属机筒和双金属螺杆的使用寿命。