制備鋼鐵基耐磨復(fù)合材料工藝研究

王秀麗

摘要：文章針對(duì)嚴(yán)重承受沖蝕磨損的機(jī)器零部件，設(shè)計(jì)制備了鋼鐵基耐磨復(fù)合材料，并介紹了處于技術(shù)前沿的碳化鎢顆粒增強(qiáng)表面復(fù)合材料；闡述了制備鋼鐵基耐磨復(fù)合材料的常見工藝和研究現(xiàn)狀，并指出了制備鋼鐵基耐磨復(fù)合材料的應(yīng)用前景和方向。

關(guān)鍵詞：鋼鐵基耐磨復(fù)合材料；制備工藝；應(yīng)用前景；沖蝕磨損；機(jī)器零部件 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG381 文章編號(hào)：1009-2374（2016）25-0014-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.25.006

1 概述

近年來，全世界研發(fā)耐磨材料的一個(gè)熱點(diǎn)是鋼鐵基這種復(fù)合型材料，廣泛用于一些磨損嚴(yán)重的場(chǎng)合。我國的耐磨型材料經(jīng)過了幾個(gè)時(shí)期，其中包括高鉻鑄鐵-鋼鑲鑄時(shí)期、雙液雙金屬時(shí)期、高鉻鑄鐵-鋼機(jī)械復(fù)合時(shí)期。最近幾年，耐磨鑄鐵的標(biāo)志是復(fù)合大錘頭（質(zhì)量上大于90kg），在工業(yè)上得以廣泛應(yīng)用，在壽命方面，與原來使用一般的高猛鋼錘頭相比，復(fù)合大錘頭從30%提高到100%。現(xiàn)階段使用鋼鐵基這種材料鑄造的時(shí)候，基于加工工藝的方法有所區(qū)別，采用的形式主要包括兩種金屬鑲鑄、雙種液體一起澆鑄和鑄滲復(fù)合等。

2 鋼鐵基這種耐磨材料的加工工藝

2.1 兩種液體一起澆鑄的鋼鐵基材料

有一部分研究工作報(bào)道兩種液體一起澆鑄的材料，且逐步投入生產(chǎn)當(dāng)中。研究了鑄鋼和高鉻白口鑄鐵組合這樣的材料用于生產(chǎn)和加工工藝，基材采用ZG230-450，滿足GB 5676-1985的要求，耐磨層使用高鉻鑄鐵，且滿足GB 8263-1987的要求，使用的方式是分層澆鑄，金屬型箱預(yù)熱的溫度處于250℃～350℃之間，將砂箱分隔成上下兩層，且上下兩層都設(shè)定了澆口，高鉻鑄鐵澆鑄的溫度處于1330℃～1380℃之間，等溫度降到1000℃～1100℃的時(shí)候，再把溫度處于1460℃～1480℃的鑄鋼液注入其中，50～80微米之間的結(jié)合層就形成了。能夠和冶金相復(fù)合，破碎機(jī)的顎板就是采用的這種工藝，主要適合用于石礦的場(chǎng)合，高猛鋼壽命的3～5倍之間就是這種材料的平均壽命。利用1550℃澆灌低合金鋼（0.6%～0.8%Cr，0.3%～0.45%C，Mo>0.2，0.6%～0.7%Mn，Si<0.4），等待金屬冷凝之后，然后大概1540℃的時(shí)候注入到高鉻鑄鐵里（20%～21%Cr，2.8%～3.1%C，Mo>0.2%，1.5%～1.8%Mn，Si<0.4%），這兩種類型的金屬界面熔合，形成界面結(jié)合的地方可以達(dá)到HV580的顯微硬度，錘頭制造使用的就是采用這種方法，取得了非常好的工程效果。

生產(chǎn)耐磨件使用的澆鑄技術(shù)就是兩種液體混合的方法，在一定范圍上得以應(yīng)用，但在真正的生產(chǎn)過程中仍然有很多問題，比如界面周圍的組織晶粒比較大、交界地方金屬液沖混、界面摻雜雜質(zhì)等，還需分析研究界面結(jié)合的原理，研發(fā)出一種工藝能夠提升界面冶金的質(zhì)量，全面地研發(fā)一種熱處理的制度，適用于這種類型的耐磨材料。

2.2 兩種金屬鑲嵌的鋼鐵基材料

針對(duì)高錳剛和低合金耐磨鑄鋼硬度相比較的狀況，要想改善這種狀況，就要在這種基體上鑲嵌耐磨性能非常好、硬度非常高的一些其他類型的材料，在鑄型當(dāng)中提前放置一些耐磨性能非常好、硬度非常高的條形或者塊狀的材料，然后澆灌基體材料，鑲塊的加熱是利用溫度非常高的母材，主要材料和鑲塊就實(shí)現(xiàn)了界面熔合。與此同時(shí)，白口鑄鐵的脆性非常高，要想改善這種情況，就放置一些低合金鋼或者條狀的碳鋼等韌性比較高的，就像纖維加強(qiáng)的材料。

參考文獻(xiàn)[1]顯示，一般碳鋼鋼筋鑲嵌在白口鐵里邊，這些碳鋼的體積分?jǐn)?shù)處于8%～10%之間，就能夠大大提高沖擊吸收功能，是原來的5～10倍，且這兩種金屬具有非常好的界面結(jié)合能力。提前制造塊狀的耐磨合金，在錘頭形腔的位置固定塊，然后把溫度非常高的合金鋼液體澆灌進(jìn)去，熔化和結(jié)合溫度非常高的合金塊和耐磨性非常好的合金塊，與高錳鋼制造錘頭的壽命相比，此工藝提高了2倍左右。在中低磨損沖擊的環(huán)境下，要想提升高錳鋼的耐磨能力，資料網(wǎng)狀的65Mn彈簧鋼（1.1%Mn，0.7%C，0.28%Si）鑲嵌到高錳鋼（12.9%Mn，0.84%C，0.23%Si，0.008%P，0.009%S）里邊，本體為奧氏體的網(wǎng)狀纖維束馬氏體相互結(jié)合的材料，磨損實(shí)驗(yàn)使用的是ML-10試驗(yàn)機(jī)，在耐磨性能方面，與僅僅經(jīng)過水韌的高猛鋼相比，這種復(fù)合型材料提高了1倍多，在同樣的環(huán)境下，這種材料節(jié)省了30%多的費(fèi)用。還用一部分探究人士把主要成分為高猛鋼的Ti C硬質(zhì)合金鑲在ZGMn13的錘頭部位，主要為了把硬石頭破碎，在成本方面，比高錳鋼錘頭多花了1/3左右的費(fèi)用，但壽命提升了將近200%。資料提前把ZG270-550制成錘柄，除去其表面的雜質(zhì)之后涂上一些保護(hù)劑，放到砂型當(dāng)中，然后把高鉻鑄鐵（0.5%～1.0%Si，2.2%～2.6%C，0.6%～1.0%Mn，0.8%～1.0%Mo，14%～18%Cr，0.2%Ti，0.8%～1.0%Cu）注入其中，制造出錘頭，再經(jīng)過4個(gè)小時(shí)溫度在960℃的風(fēng)冷卻，加上兩個(gè)小時(shí)溫度在250℃的回火之后，共晶碳化物和馬氏體一起構(gòu)成了鑲塊的金相組織，錘端具有1230J/cm2的沖擊韌性，硬度處于58～62HRC之間，界面摻雜雜質(zhì)、裂紋和沒有冷隔等，為了破碎石灰石，在壽命方面，與高錳鋼材質(zhì)的錘頭相比，提高了2倍以上。

破碎機(jī)的錘頭通常情況都會(huì)使用鑲鑄這種技術(shù)，在使用壽命方面和一般的高錳鋼材質(zhì)的錘頭相比較，這種類型的錘頭成倍提高。在以后的發(fā)展趨勢(shì)中，應(yīng)該深入研究這方面的內(nèi)容，不斷減少費(fèi)用。

2.3 鑄滲耐磨鋼鐵基復(fù)合材料

鑄型型腔里邊提前固定一些硬度比較高的顆粒，再將金屬液體灌注其中，顆粒物之間的空隙就會(huì)充滿金屬液體或者在某種程度上熔化了顆粒的表面。與此同時(shí)，還發(fā)生元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象，最后鑄件的表層生成一層鑄滲合金層，提高了材料的耐磨性。典型的鑄滲加工工藝包括干砂消失模和涂覆這兩種。現(xiàn)階段主要成分為鋼鐵，以鑄滲為表層，包含了SiC、Ni-WC、WC、Cr-Fe等，利用鑄滲硬度相當(dāng)高的顆粒，在很大程度上提高了耐磨件的耐磨性。資料表明：ZG30Cr的表面將高碳鉻鐵+WC鑄滲其中，結(jié)果表明經(jīng)過鑄滲，在很大程度上提高了耐磨性，但高碳鉻鐵/WC的成分配置決定了鑄滲層的耐磨性，在WC能熔的條件下，WC占的成分越多，耐磨性就越好。如果WC所占的成分過多的話，極易導(dǎo)致很多顆粒沒有熔化，大大降低了整個(gè)材料的塑性，進(jìn)而降低了抗塑性轉(zhuǎn)變?yōu)槟p性。有部分研究人員把WC-CO提前制備基體陶瓷顆粒鑄滲到高鉻鑄鐵表面，且在室溫的條件下做干滑動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)，對(duì)磨損副采用45號(hào)鋼，與高鉻鑄鐵相比，這種材料相對(duì)耐磨性提高了25倍以上，與耐熱鋼相比，提高了9倍以上。

鑄耐磨層在一定程度上增加了耐磨性，但在加工工藝調(diào)控、熔劑、粘接劑等因素的限制下，這種方法一旦沒有控制好，合金層極易引起結(jié)合不牢固、摻雜雜質(zhì)、有氣孔等不足。

2.4 顆粒增大金屬基材料

顆粒增大鋼鐵基復(fù)合型材料，縮寫為pRMMCs，主要成分為金屬和它的合金，結(jié)合一種或多種顆粒形狀的具有相容性的非金屬或者金屬的材料。具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如強(qiáng)度非常高、抗疲勞能力非常好、耐磨能力非常好、剛度非常高、在溫度非常高的條件下使用能力非常好等。它不僅能夠外加，也能在整個(gè)材料里邊利用原位（insiut）復(fù)合形成，氮化物、碳化物和氧化物等陶瓷顆粒物，比如碳化硅、碳化欽、碳化硼、氧化硅、氧化鋁、硼化欽等，采用這種材料制造的構(gòu)件，主要的性能承受很大的載荷，因此其有強(qiáng)度高、彈性模量好等優(yōu)點(diǎn)；接著就是和基體的相容性好，其中包含力學(xué)、化學(xué)、物理等很多方面，在任何條件下，各種組成元素的應(yīng)變、彎曲和伸長等都能得以協(xié)調(diào)，否則，基體使用的材料和顆粒兩者的熱膨脹系數(shù)差別相當(dāng)大，這種材料成型之后，中間會(huì)生成殘余應(yīng)力；接著基體能將其浸潤，基體和顆粒間能夠形成結(jié)合強(qiáng)度相當(dāng)好的界面，此外還需將密度、熱穩(wěn)定性、熔點(diǎn)、費(fèi)用、形狀和大小等因素考慮進(jìn)去。

最近幾年，全世界都十分關(guān)注顆粒狀的陶瓷增強(qiáng)金屬基這種材料。涉及到真正使用和費(fèi)用方面，這種材料絕大部分用作硬度很高的表層材料，研發(fā)應(yīng)用基礎(chǔ)這個(gè)角度，就WC、TiC、Al2O3、SiC等陶瓷顆粒物的性能而言，和鋼鐵結(jié)合的能力，表層材料加工工藝等角度都取得了很多成就，在這個(gè)方面研發(fā)了很多種金屬基表層材料。基于很強(qiáng)的滑動(dòng)摩擦造成的磨損，尤其是磨料的情況，極易損壞的物件的耐磨層一定要厚，在這種情況下使用鑄滲技術(shù)獲得的表層材料應(yīng)用前景相當(dāng)好，已經(jīng)用于工業(yè)化使用的有溜槽襯板和軋鋼導(dǎo)衛(wèi)板。就鑄滲表層材料而言，其中一個(gè)核心技術(shù)就是幾乎不用添加劑就能獲得密度非常高的復(fù)合表層和冶金結(jié)合層，還需努力的方向是增大復(fù)合層的厚度和增加密度，然而探究的難點(diǎn)和重點(diǎn)就是把鑄滲技術(shù)從平面發(fā)展成為弧面等很多復(fù)

雜面。

3 鋼鐵基復(fù)合型材料使用前景

力學(xué)和物理性能相當(dāng)好的鋼鐵基復(fù)合型材料，除了廣泛用于航天航空方面，還廣泛用于礦山機(jī)械、汽車等很多民用工業(yè)方面。工藝相當(dāng)簡單、制造采用的是鑄造法、成本相當(dāng)少，在復(fù)合型材料方面是相當(dāng)具有前景的，初步已經(jīng)獲得了很大的經(jīng)濟(jì)利益。鋼鐵基表層材料使用鑄造法制造，在生產(chǎn)耐熱、耐蝕、耐磨等方面存在很大的潛在市場(chǎng)。

就現(xiàn)階段全球?qū)@種材料的探究情況而言，基體采用黑色金屬是最前沿的項(xiàng)目，然而顆粒增強(qiáng)鋼鐵基這種材料，采用局部組合技術(shù)是一個(gè)相當(dāng)有價(jià)值的新的項(xiàng)目。過濾雜質(zhì)泵的構(gòu)件采用這種技術(shù)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：金屬和陶瓷顆粒物結(jié)合，不僅能夠避免陶瓷非常高的脆性，還能提高耐磨性能；不僅能充分體現(xiàn)金屬的韌性，還能避免其耐磨能力不好等不良因子。采用這種表層結(jié)合的方法不僅能提高耐磨性能，還能抵抗沖擊，在一定程度上提高了再利用率。

參考文獻(xiàn)

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方式的研究[J].鑄造，1991，（5）.

[2] 楊蘭玉，趙海軍.鑲鑄復(fù)合錘頭的研制[J].煤礦機(jī)

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）