釬涂金剛石在盾構刀具再制造中的應用*

吳奇隆, 張 雷, 孫華為, 孫志鵬, 賈連輝, 傅玉燦, 朱晨穎

(1.中機智能裝備創新研究院(寧波)有限公司, 浙江 寧波 315700)(2.中鐵工程裝備集團有限公司, 鄭州 450001)(3.南京航空航天大學 機電學院, 南京 210016)

盾構法施工具有施工速度快、安全性高，不影響地面交通與設施的特點，被廣泛應用于城市地下隧道的建設中。隨著國內地下空間開發利用的蓬勃發展，隧道施工里程逐年攀升，對盾構機的需求量不斷增加。刀具作為盾構機破巖的關鍵零部件，工程消耗量極大。盾構機施工經驗表明，刀具磨耗造成的施工成本占到整個工程成本的25%左右[1]。對于失效的刀具，傳統的方法是經氧乙炔切割后直接報廢。這造成極大的資源浪費，因而盾構刀具的再制造修復逐漸成為研究的熱點[2]。

目前，盾構刀具普遍采用堆焊的方法進行修復。段保亮等[3]在刀體上堆焊DG7耐磨藥芯焊絲，在刀刃上堆焊自強化“雙相焊條”，改善了刀體的抗沖擊性和耐磨性，使再制造刀具比進口刀具的使用壽命提高了20%。胡建平等[4]采用北京固本KB600耐磨堆焊焊絲對盾構刀具進行堆焊修復，堆焊層的耐磨性比16Mn鋼的提高了10倍，而且堆焊層具有優良的抗沖擊性能。釬涂是一種重要的材料表面改性與修復技術，其將低熔點釬料與高熔點硬質顆粒增強相通過釬焊的方法在材料表面制備出復合涂層，復合涂層具有表面平整、結合強度高、熱應力小等優點；且釬涂后材料表面的耐磨性好、抗腐蝕性和耐高溫性強[5-7]。釬涂技術在航空航天、農業機械、石油鉆探、煤礦機械等領域具有廣泛的應用，受到了國內外學者的高度關注[8-10]。但是，采用釬涂技術對盾構刀具進行耐磨涂層的再制造卻鮮有報道。

使用感應釬涂的方法，在耐磨焊絲堆焊修復后的盾構刀具表面制備金剛石耐磨涂層。通過觀察釬涂界面的組織形貌，分析涂層與堆焊層間的結合情況，并對其耐磨性能進行測試，以期解決盾構刀具的耐磨涂層再制造與修復難題。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗原材料

釬涂母材選用北京固本KB600耐磨焊絲堆焊制備的堆焊層，堆焊層主要化學成分如表1所示，堆焊工藝參數如表2所示，釬涂用NiCrBSi合金釬料成分如表3所示。

表1 堆焊層化學成分

表2 堆焊工藝參數

表3 NiCrBSi釬料化學成分

釬涂用堆焊層、釬料和金剛石形貌如圖1所示。圖1a是經過體積分數為4%的硝酸酒精腐蝕后的堆焊層組織形貌。圖1b的NiCrBSi釬料粉末為球形粉末，粒徑尺寸為20～80 μm。圖1c的耐磨增強金剛石顆粒為河南黃河旋風股份有限公司生產的B2金剛石，金剛石基本顆粒尺寸為180～250 μm。

a 堆焊層 Surfacinglayer b 釬料 Solder c 金剛石 Diamond圖1 釬涂用堆焊層、釬料和金剛石形貌Fig.1Morphologyofsurfacingalloy fillermetalanddiamondforbrazedcoating

1.2 實驗方法

1.2.1 耐磨涂層制備

將制得的堆焊層預先加工成75.0 mm×25.5 mm×6.0 mm的長條，用于金剛石耐磨層的制備及接頭組織分析。隨后,將NiCrBSi與金剛石按質量比8∶2混合，用混料機混合均勻，然后均勻鋪在堆焊層上。采用電磁感應加熱設備加熱，加熱到釬料合金完全熔化后，繼續加熱10 s，之后放置在室內環境自然冷卻。

1.2.2 涂層組織表征

采用ZEISS EVO 10型掃描電子顯微鏡配合EDAX Genesis 2000 xms型能譜儀對釬涂界面組織進行觀察與分析，使用ZEISS Smartzoom 5型數碼體視顯微鏡觀察磨粒磨損實驗前后的涂層表面三維形貌。

1.2.3 涂層耐磨性能測試

采用MML-1G型摩擦磨損實驗機分別對堆焊層和金剛石涂層試樣進行耐磨實驗，耐磨實驗按照JB/T 7705-1995《松散磨粒磨料磨損實驗方法 橡膠輪法》進行。實驗壓力選擇15 N，磨料選擇基本顆粒尺寸為16～60 μm的白剛玉，控制磨料從噴砂嘴的泄出速度為250～300 g/min；橡膠輪表面材質為氯丁橡膠，橡膠輪轉速為200 r/min；預磨時間為5 min，正式磨損時間為13 min；使用電子天平稱量磨損試樣的失重質量，精確至0.000 1 g，每個試樣進行5次磨損實驗，最后實驗結果取平均值。

2 實驗結果與討論

2.1 釬涂界面組織分析

圖2為釬涂后金剛石涂層表面的掃描電鏡形貌。圖2a中的黑色顆粒為金剛石，灰色區域為釬料和堆焊層形成的合金，且金剛石大部分被合金包裹，僅露出部分金剛石表面。圖2a中的a區放大得到圖2b。從圖2b可以看出：合金在金剛石表面有明顯的“爬坡”現象。這表明合金具有良好的潤濕性能，從側面反映出金剛石與合金之間具有良好的結合強度。

a 涂層表面Coatingsurface b A區放大圖EnlargedviewofareaA圖2 涂層表面掃描電鏡形貌Fig.2SEMmorphologyofcoatingsurface

圖3為釬焊涂層與堆焊層結合界面的橫截面形貌。從圖3可知：釬涂部位橫截面圖中的金剛石彌散分布于涂層中。金剛石作為硬質顆粒，起到硬質強化作用，從而提高涂層的耐磨性能。涂層中的金剛石顆粒之間填充了足量的釬料，保證了釬料對金剛石的把持力。

圖3 釬焊涂層與堆焊層結合界面的橫截面形貌

圖4為堆焊層與釬料的結合界面及線掃描圖。其中，圖4b的線掃描圖按圖4a中的線方向進行。從圖4a可知：釬料與堆焊層結合緊密，界面處組織均勻，未發現塊狀的金屬間化合物。從圖4b可知：釬料合金與堆焊層發生了元素擴散現象，反應界面寬度約為5 μm，Fe元素和Ni元素之間發生明顯的相互擴散現象。這是因為，界面兩側Fe元素和Ni元素存在較大的濃度梯度，而且Fe與Ni的原子半徑接近，在釬焊過程中容易相互擴散形成置換固溶體；當Ni-Fe固溶體形成后，可以進一步提高釬焊界面處堆焊層與釬料的結合強度。

(a)結合界面 Bonding interface

2.2 耐磨性能實驗及分析

圖5為堆焊層與金剛石涂層磨損前后的形貌。從圖5a和圖5b中可以看出：磨損實驗前堆焊層與金剛石涂層表面相對平整，金剛石涂層中的深黑色金剛石彌散分布在釬料中，部分金剛石表面裸露在釬料外。從圖5c可以看出：磨損實驗后的堆焊層表面呈現出連續的磨損犁溝，這表明在磨損過程中堆焊層中的硬質相不能有效阻斷犁溝。原因是堆焊層中的碳化物硬質相含量少，而且其顆粒細小、彌散分布，不能有效阻礙磨粒對堆焊層的切削。因磨損實驗時松散的磨粒隨橡膠輪線速度方向切削，導致大量連續的犁溝磨痕出現。從圖5d可以看出：金剛石涂層表面的磨痕特征與圖5c的堆焊層表面磨痕特征存在較大差異，堆焊層磨損后的特征是連續的犁溝，而金剛石涂層磨損后的特征是表面大量的磨損凹坑。金剛石涂層磨損后表面的金剛石出現大面積裸露，這表明在磨損過程中，主要是釬料出現磨損。

a 堆焊層磨損前Beforewearofsurfacinglayer b 金剛石涂層磨損前Beforewearofdiamondcoating c 堆焊層磨損后Afterwearofsurfacinglayer d 金剛石涂層磨損后Afterwearofdiamondcoating圖5 堆焊層與金剛石涂層磨損前后的3D形貌Fig.53Dmorphologyofsurfacinglayeranddiamondcoatingbeforeandafterwear

圖6為釬焊涂層磨損后的形貌及微區放大形貌。圖6a中的部分金剛石出現破碎現象。由圖6b可以看出：釬料合金表面存在散亂分布的犁溝。這表明在磨損過程中，磨粒磨損產生的犁溝不能切過金剛石顆粒，金剛石顆粒阻礙了磨粒的運動，磨粒遇到金剛石后繞過金剛石繼續磨損釬料合金。這是由于釬料合金的硬度低于金剛石的，在磨損過程中金剛石周圍的釬料合金會被磨粒刨去；隨著釬料合金不斷被去除，金剛石逐漸裸露，高硬脆的金剛石耐磨相在抵御磨粒侵蝕時產生了一定的破碎；當釬料合金被磨粒大量磨損后，釬料對金剛石的把持力降低，導致整顆金剛石剝落。

a 表面磨損形貌Surfacewearmorphology b 磨損微區放大形貌Enlargedmorphologyofwearmicroregion圖6 釬焊涂層磨損后的形貌及微區放大形貌Fig.6Morphologyandmicroareaenlargedmorphologyofbrazedcoatingafterwear

對于干砂/橡膠輪磨損系統，試樣的質量損失是橡膠輪與試樣線接觸，在磨粒磨損作用下試樣磨損出一定深度的凹坑所致。圖7為金剛石涂層和堆焊層在干砂/橡膠輪磨損實驗機磨損13 min后的質量損失對比。由圖7可以看出：磨損后的金剛石涂層的質量損失僅為0.087 1 g，而堆焊合金層的質量損失高達0.601 2 g，前者約為后者的14.5%。因此，相較堆焊層，金剛石涂層表現出優異的耐磨性能。

圖7 金剛石涂層和堆焊層磨粒磨損后的質量損失對比

3 結論

(1)釬焊過程中金剛石彌散分布在涂層中，金剛石未發生團聚、上浮現象，釬料表現出良好的潤濕性能；同時，堆焊層與釬料之間形成約5 μm的元素擴散區，界面處形成固溶體，發生冶金結合。

(2)在磨粒磨損實驗中，堆焊層和金剛石涂層表現出不同的磨損機制。堆焊層的磨損主要為磨粒對堆焊層的切削，而金剛石涂層的磨損主要為磨粒對釬料合金的切削以及金剛石的脫落。

(3)相比堆焊層，金剛石涂層表現出優異的耐磨性能。相同的磨損實驗條件下，釬涂金剛石涂層質量損失為0.087 1 g，堆焊層的質量損失高達0.601 2 g，前者約為后者的14.5%。