陶瓷增強(qiáng)耐磨白口鑄鐵復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用

伊鵬躍，陳 楚，朱 琳，佟偉平

耐磨鑄鐵以其優(yōu)異的耐磨性及較低的成本廣泛應(yīng)用于礦山、煤炭、建材、冶金等行業(yè)。隨著我國制造業(yè)的飛速發(fā)展，對耐磨鑄鐵的消耗逐年遞增，尤其在采礦、冶金、電力等行業(yè)中，因材料磨損導(dǎo)致失效的情況愈發(fā)嚴(yán)重[1～4]。零件的磨損失效是由配合表面損傷導(dǎo)致的[5]，雖不像脆性斷裂等突然失效會造成嚴(yán)重危害，但因停產(chǎn)更換零件而降低生產(chǎn)效率。因此，如何增強(qiáng)材料的抗磨性，提高材料的使用壽命，成為備受關(guān)注的重要問題[6～10]。

本文對耐磨鑄鐵材料的強(qiáng)化手段進(jìn)行總結(jié)，分析針對陶瓷顆粒增強(qiáng)耐磨鑄鐵材料的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，提出高性能耐磨鑄鐵材料開發(fā)的建議與思路。

1 耐磨白口鑄鐵材料發(fā)展

耐磨白口鑄鐵材料的使用可劃分為幾個階段：

非合金白口鑄鐵

人類使用普通白口鑄鐵的歷史可以追溯至2000 年前，普通白口鑄鐵因基體內(nèi)大量分布的滲碳體與萊氏體，能夠降低犁鏵等農(nóng)具的磨損而被使用了近千年。但普通白口鑄鐵無法承受沖擊載荷，極易折斷，因此僅適用于面粉機(jī)磨輥，球磨機(jī)磨段和清理設(shè)備中的鐵丸及星鐵等沖擊載荷較低的工況。

鎳硬鑄鐵鎳硬鑄鐵（Ni-hard）

是含Ni（3.0%～5.0%）、Cr（1.5%～3.5%） 的白口鑄鐵。Ni 的加入可以提金屬高淬透性，獲得以馬氏體為主體的基體，硬度顯著提高，耐磨性好，同時大量殘余奧氏體使材料有良好的沖擊韌性。鎳硬鑄鐵的基體為馬氏體，碳化物為M3C 型碳化物，基體與碳化物硬度相差不大，易切削，也易斷裂，易脫離基體，故其整體耐磨性能不理想。目前，美國、英國、德國及我國均已建立標(biāo)準(zhǔn)體系，鎳硬鑄鐵也已廣泛應(yīng)用于電力、水泥和鑄造等多個行業(yè)，如磨輥和磨環(huán)、雜質(zhì)泵過流器、軋輥、襯板及磨球等。但我國Ni 元素比較稀缺，價格較高，綜合考慮后通常選擇在耐磨鑄鐵中加入一些其他合金元素來改善白口鑄鐵的性能[11～13]。

高鉻白口鑄鐵

高鉻鑄鐵是繼普通白口鑄鐵、鎳硬鑄鐵后發(fā)展起來耐磨鑄鐵材料，泛指Cr 含量11%～30%、C 含量2.0%～3.6%之間的鉻系白口鑄鐵。Cr 的大量加入使得M3C 型碳化物向M7C3型碳化物轉(zhuǎn)變[14]，M7C3型碳化物硬度高達(dá)1 200～1 800 HV，遠(yuǎn)高于M3C 型碳化物，所以高鉻白口鑄鐵的硬度遠(yuǎn)高于鎳硬鑄鐵。同時，M7C3型碳化物呈孤桿狀獨(dú)立分布于基體中，對基體的割裂作用較小，且基體中分布的奧氏體使高鉻鑄鐵擁有較好的韌性。此外，高鉻鑄鐵兼有良好的耐高溫和耐腐蝕性能，而且容易生產(chǎn)，故廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域[15]。

高合金白口鑄鐵隨著電力、煤炭、建材、冶金等行業(yè)的飛速發(fā)展，人們希望耐磨鑄鐵能夠承受更惡劣、更復(fù)雜的工況，并減少更換耐磨零件的次數(shù)。為了提升耐磨鑄鐵的性能與壽命，有國內(nèi)外學(xué)者在高鉻白口鑄鐵成分基礎(chǔ)上，添加W、Mo、V等碳化物形成元素，制成高合金耐磨鑄鐵[16、17]，取得了良好的效果，如廣西合山電廠生產(chǎn)的XMTCrRQ-Ⅳ型高合金鑄鐵磨球不易產(chǎn)生變形，破碎率＜1%，耗球率僅為普通鍛鋼球的20%，大大減少補(bǔ)充磨球的工作量，顯著提高效益[18]。

高合金耐磨白口鑄鐵的抗磨性提升主要源自于碳化物性能的提升[19]，W、Mo、V、Ti 等元素的添加，除在M7C3型碳化物中起到固溶強(qiáng)化作用，提升其硬度外，還能夠促使材料中的碳化物類型發(fā)生改變（見表1），其中的MC、M2C 型碳化物硬度極高，能夠直接提升耐磨材的抗磨性，在熱處理過程中，又能有效抑制奧氏體晶粒的生長[21]，促進(jìn)基體組織的細(xì)化，提升基體的塑韌性，改善碳化物的抗剝落性，全方位提升材料的抗磨性。

表1 高合金鑄鐵中的碳化物 [20]

然而，高合金鑄鐵中含有大量的W、Mo 等昂貴的合金元素，使得高合金鑄鐵的應(yīng)用受到成本的制約，也使得通過繼續(xù)增加合金元素提升材料抗磨性能及使用壽命無法持續(xù)。為了進(jìn)一步提升耐磨鑄鐵的抗磨性及壽命，鐵基耐磨復(fù)合材料逐漸進(jìn)入人們視野。

2 耐磨白口鑄鐵基復(fù)合材料的發(fā)展

顧名思義，耐磨白口鑄鐵基復(fù)合材料是指通過在耐磨鑄鐵中引入一定數(shù)量的陶瓷增強(qiáng)體，利用兩種材料各自的優(yōu)勢，提升材料的抗磨性及使用壽命。耐磨復(fù)合材料由軍用到民用的推廣，始于上世紀(jì)80 年代，自1983 年本田汽車推出陶瓷纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料零件——發(fā)動機(jī)鋁活塞[22]以來，耐磨復(fù)合材料逐漸得到推廣。

其中，以Al、Mg、Ti 等輕金屬為基體的復(fù)合材料得到快速發(fā)展，尤其是顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)相對成熟[23]。但由于這類輕合金基體復(fù)合材料的基體硬度低，塑性也差，承受沖擊磨損載荷的能力較弱，與耐磨白口鑄鐵相比耐磨性仍有較大差距，無法滿足大載荷的磨損工況。因此，為有效提升材料性能，延長零件的使用壽命，鐵基耐磨復(fù)合材料受到越來越廣泛的關(guān)注。隨著越來越多科技成果的轉(zhuǎn)化，鐵基耐磨復(fù)合材料得到推廣。比利時Magotteaux 公司將高硬度異質(zhì)陶瓷顆粒制成多孔陶瓷芯板鑲嵌在立磨高鉻合金的磨輥及磨盤表面，在實(shí)際應(yīng)用中該合金輥套比高鉻合金輥套的壽命高一倍以上，破碎機(jī)錘頭的使用壽命達(dá)到合金錘頭的1～1.8 倍。日本Kurimolo 公司成功研制出由燒結(jié)碳化鎢合金粉和高鉻鑄鐵構(gòu)成的復(fù)合材料，將高鉻鑄鐵運(yùn)輸機(jī)襯板換成高鉻鑄鐵復(fù)合材料，使用壽命由30～50 天提高到670 天以上；日本富士電機(jī)公司研發(fā)的耐氣蝕、耐砂土腐蝕鐵基復(fù)合材料比Cr13 鑄件的耐氣蝕性提高10 倍；美國Alloy Technology Internetional 公司研制的Ferro-TiC復(fù)合材料的使用壽命在相同磨損條件下比工具鋼提高約20 倍。印度AIAT 程有限公司發(fā)明的高耐磨鐵基陶瓷材料制成磨輥輥套和磨盤襯板后，耐磨性提高到堆焊修復(fù)件的2 倍以上，將此陶瓷材料鑲嵌在磨輥套中形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，經(jīng)過熱處理，使材料在達(dá)到足夠硬度的基礎(chǔ)上還具有一定的延展性，有效吸收使用中的沖擊能量，大大提高材料的耐沖擊性能[24、 25]。

鐵基耐磨復(fù)合材料比傳統(tǒng)的耐磨白口鑄鐵在性能上有絕對優(yōu)勢，但目前尚無法全面取代耐磨白口鑄鐵，主要原因是其制造成本較高。

3 耐磨鑄鐵基復(fù)合材料的制造

耐磨鑄鐵基復(fù)合材料的制造，需將一種或多種陶瓷與耐磨鑄鐵復(fù)合在一起，有效發(fā)揮陶瓷與金屬的性能優(yōu)勢并通過兩者之間的相互作用獲得良好的綜合性能。根據(jù)增強(qiáng)體的形態(tài)特征可以把金屬基復(fù)合材料分為：顆粒增強(qiáng)、纖維增強(qiáng)和層狀增強(qiáng)。由于一般耐磨鑄鐵的潤濕性比較差，而增強(qiáng)體與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度是決定復(fù)合材料性能的重要因素之一，故通常選擇顆粒作為耐磨鑄鐵基復(fù)合材料的增強(qiáng)體。對于增強(qiáng)體顆粒都應(yīng)滿足以下條件：

（1） 增強(qiáng)體應(yīng)具有能明顯提高基體某種特性的性能，對于耐磨鑄鐵復(fù)合材料，增強(qiáng)體應(yīng)具備的最重要特性就是高硬度與抗磨性。

（2） 增強(qiáng)體應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、高熔點(diǎn)等性能，顆粒尺寸大小適當(dāng)。

（3） 增強(qiáng)體與基體之間應(yīng)具有良好的物理和化學(xué)相容性，潤濕情況良好或具有良好的界面結(jié)合能力。

（4） 增強(qiáng)體在基體中能夠均勻分布，避免出現(xiàn)漂浮、偏析等問題。

（5） 增強(qiáng)體的價格、來源、壽命、可靠性等因素也應(yīng)考慮。

筆者給出耐磨鑄鐵基復(fù)合材料中常用的陶瓷增強(qiáng)體材料及其物理性能（見表2）[26]。選擇增強(qiáng)體時，需綜合考慮增強(qiáng)體材料特性及工件實(shí)際情況，如Al2O3硬度高，抗磨性好，耐氧化，耐高溫，與鋼鐵材料的熱膨脹系數(shù)接近，價格低，來源廣泛，但潤濕性差，需表面改性處理后才能保證界面緊密結(jié)合，所以單獨(dú)用Al2O3作增強(qiáng)體材料的效果并不理想，需要加入一定量的ZrO2制成多相ZTA 陶瓷增強(qiáng)體后與耐磨鑄鐵復(fù)合使用；又如WC硬度大，耐磨性極強(qiáng)，且具有良好的潤濕性，可直接用于耐磨鑄鐵，無需表面改性，生產(chǎn)工藝簡單，但WC 脆性大，密度大，價格昂貴，并不適用于大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用；而SiC 的導(dǎo)熱性好，彈性模量大，硬度大，價格低廉，但與高溫鐵液作用時會發(fā)生界面反應(yīng)，形成脆性相及片狀石墨，通常僅用于表面強(qiáng)化的耐磨鑄鐵零件。

表2 耐磨鑄鐵復(fù)合材料中常用陶瓷增強(qiáng)體及其物理性能 [27]

選定合適的陶瓷增強(qiáng)體后，如何將兩種材料進(jìn)行復(fù)合則是另一影響耐磨鑄鐵復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素。常用的制備方法大致可分為兩類[28]。一是外加法，即把陶瓷增強(qiáng)顆粒加入到金屬熔液中或金屬粉末中，通過粉末冶金、噴涂、擠壓鑄造、攪拌鑄造、液態(tài)浸滲等方法，制成陶瓷增強(qiáng)耐磨鑄鐵復(fù)合材料；二是原位合成法，利用金屬與金屬之間或金屬與化合物之間發(fā)生放熱反應(yīng)在金屬熔體中產(chǎn)生新的金屬間化合物或陶瓷增強(qiáng)相，其與外加顆粒法的區(qū)別在于增強(qiáng)顆粒不是直接加入，而是在制備過程中逐漸形成的，包括自蔓延法、直接氧化法、原位噴涂等方法。

這些方法各具優(yōu)勢[29]，如粉末冶金法的設(shè)備、工藝簡單，技術(shù)成熟度高，且成形溫度在液相線下，陶瓷與基體界面基本不會生成不利于材料性能的金屬化合物，使陶瓷在基體內(nèi)均勻分布，可制備含有高體積分?jǐn)?shù)陶瓷顆粒的復(fù)合材料，缺點(diǎn)是材料的孔隙率高，性能較差，生產(chǎn)效率較低，產(chǎn)品形狀和尺寸也受一定限制；攪拌鑄造法通過攪拌使得顆粒均勻分散，工藝簡單，操作難度小，能夠生產(chǎn)大尺寸的耐磨鑄鐵復(fù)合材料，缺點(diǎn)是易引發(fā)氣孔、縮松等缺陷，液態(tài)金屬與陶瓷顆粒發(fā)生界面反應(yīng)會形成不利于材料性能的物質(zhì)，而潤濕性差的陶瓷增強(qiáng)體在凝固時容易漂浮，使顆粒分布產(chǎn)生差異。

為了提高復(fù)合材料的性能，提高成品率，并降低生產(chǎn)成本，近年來有科研人員提出一種全新的耐磨鑄鐵復(fù)合材料制造技術(shù)。首先，根據(jù)耐磨工件工作面形狀特征，采用粉末冶金法燒結(jié)出由陶瓷和高合金鑄鐵組成的陶瓷預(yù)制體，然后通過鑲嵌鑄造手段，在非工作面澆入韌性更好，成本更低的球墨鑄鐵或高鉻鑄鐵，由于陶瓷預(yù)制體內(nèi)含有高合金鑄鐵，陶瓷預(yù)制體和基體的界面之間潤濕效果良好，不會發(fā)生不良界面反應(yīng)。這種技術(shù)工藝靈活，可根據(jù)具體工況設(shè)計(jì)預(yù)制體和基體成分。由于僅在工作面采用復(fù)合材料，有效地解決直接成形中陶瓷漂浮、均勻分布困難等問題，生產(chǎn)成本顯著下降，具有較大的利潤空間。

4 耐磨鑄鐵基復(fù)合材料的推廣與應(yīng)用

基于耐磨鑄鐵基復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀及市場需求，天津研發(fā)中心聯(lián)合東北大學(xué)以建材行業(yè)立磨輥套為突破點(diǎn)，成功試制耐磨鑄鐵基復(fù)合材料磨輥輥套（見圖1）。

圖1 耐磨鑄鐵基復(fù)合材料立磨輥套產(chǎn)品

該輥套的陶瓷預(yù)制體采用ZTA 陶瓷顆粒與高合金耐磨鑄鐵燒結(jié)而成，基體材質(zhì)采用高鉻鑄鐵，通過鑲嵌鑄造得到最終的產(chǎn)品，輥套外徑?1 900 mm，鑄件重量5.2 t。

該新型復(fù)合材料輥套在山西侯馬市匯豐建材有限責(zé)任公司的HRM3400E 生料立磨上機(jī)試驗(yàn)。生料物料成分為，石灰石74%、爐渣6%、鎂渣10%、鋼渣2%、砂巖8%；經(jīng)過138 天，2 522 h的滿負(fù)荷運(yùn)行，輥套最大磨損深度僅50 mm，平均磨損速率約為0.02 mm/h，而高鉻鑄鐵輥套磨損速率約為0.041～0.044 mm/h，耐磨鑄鐵復(fù)合材料輥套的磨損速率僅為高鉻鑄鐵的1/2（見表3）。

表3 耐磨復(fù)合材料輥套運(yùn)行數(shù)據(jù)測量

因物料在粉碎過程中磨損強(qiáng)烈，高鉻鑄鐵輥套在使用中出現(xiàn)較深的犁溝和波紋等傷痕，造成磨機(jī)產(chǎn)量下降，振動增大，單耗增加等問題。因此，該高鉻鑄鐵輥套在使用1 300 h 后必須翻面使用，而陶瓷增強(qiáng)耐磨鑄鐵復(fù)合材料輥套（見圖2），使用2 500 h 后單面僅磨損50 mm。

圖2 耐磨鑄鐵基復(fù)合材料輥套卸裝后效果

通常立磨輥套更換或換面需磨損至65 mm 深，根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)預(yù)測耐磨復(fù)合材質(zhì)輥套仍可繼續(xù)運(yùn)行800～900 h。可見耐磨鑄鐵基復(fù)合材料輥套的單面使用壽命超過高鉻鑄鐵輥套，整體壽命可達(dá)到高鉻鑄鐵的2 倍以上，實(shí)現(xiàn)降低單耗、提高磨損效率和產(chǎn)量的目的。

5 結(jié) 語

這項(xiàng)新技術(shù)的突破，打破比利時馬科托、印度VEGA 等公司的壟斷，實(shí)現(xiàn)陶瓷增強(qiáng)耐磨鑄鐵復(fù)合材料輥套產(chǎn)品的國產(chǎn)化。

筆者認(rèn)為，今后應(yīng)進(jìn)一步深化耐磨材料的系統(tǒng)研究，加快陶瓷增強(qiáng)耐磨鑄鐵復(fù)合材料的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。