鉻基鎢鎳鉬高耐磨合金耐磨機(jī)理及產(chǎn)業(yè)化

周金友

(馬鞍山市晨光高耐磨科技發(fā)展有限公司 安徽省馬鞍山 243031)

應(yīng)用于磨料磨損工況條件下的特種鋼鐵材料稱為鋼鐵抗磨材料或耐磨材料。磨料磨損是指由于硬顆粒或硬突起使得材料產(chǎn)生遷移而造成的一種磨損。在工業(yè)領(lǐng)域中，磨料磨損是最重要的一種磨損類型，約占50%左右。在我國冶金、礦山、建材、電力等經(jīng)濟(jì)建設(shè)領(lǐng)域，每年用于破碎、制粉的抗磨材料消耗非常巨大，以球磨機(jī)用襯板為例，我國每年消耗量為20多萬t;而歐洲國家每年消耗額20億美元，美國的消耗額則高達(dá)60億美元［1］。同時(shí)我國每年因磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失在1000億元人民幣以上，僅磨料磨損每年就要消耗300多萬元金屬耐磨材料，且還以每年15%的速度在增長。高壽命耐磨材料的研制和使用，關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的長期穩(wěn)定發(fā)展［2］。因此，為了減少磨料磨損所造成的經(jīng)濟(jì)損失，研究磨損和不斷發(fā)展抗磨材料是當(dāng)前耐磨材料研究熱點(diǎn)之一。在冶金及礦山企業(yè)的生產(chǎn)過程中，各種耐磨配件在確保生產(chǎn)工序連續(xù)進(jìn)行的過程中起著非常重要作用。但因生產(chǎn)現(xiàn)場存在工況復(fù)雜、服役條件苛刻等影響因素，耐磨配件是冶金及礦山企業(yè)常見的消耗部件之一。隨著現(xiàn)代冶金及礦山行業(yè)的高速發(fā)展，迫切需要在高溫、高速、沖擊工況和高磨損等條件下，耐磨配件既要求保證一定的高溫強(qiáng)度，又要求具有一定的韌性和良好耐磨性能［3，4］，以保證企業(yè)的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

1 鉻基鎢鎳鉬高耐磨合金耐磨機(jī)理

耐磨鑄鐵通過添加鉻、鎳等合金元素以提高耐磨能力。且高鉻鑄鐵經(jīng)凝固后的組織為(Fe，Cr)7C3型碳化物和γ相，其含鉻量為12%－30%、含碳量為2.4%－3.6%，通過合金化和熱處理可得到馬氏體的基體以及鉻的特殊碳化物，這種特殊碳化物為呈六角晶系的 Me7C3，其硬度高達(dá)HV1200－1600。此外，高鉻鑄鐵中的高鉻共晶碳化物呈彌散分布狀態(tài)，相當(dāng)于在基體上鑲嵌入高硬度的顆粒。

鉻基鎢鎳鉬高耐磨合金通過調(diào)整Cr/C之間的比例，依次形成Cr3C、Cr7C3和Cr23C6等碳化物。Fe－Cr－C系中至多可以有4個(gè)Fe原子取代Cr原子而保持M7C3(Fe4Cr3C3)的六角晶格結(jié)構(gòu)。其六方棱柱初生碳化物(Cr，F(xiàn)e)7C3晶體柱狀面上硬度 HV1400左右，而與之垂直的基面硬度在HV1700－1900;且(Cr，F(xiàn)e)7C3以孤立粒狀分布，碳化物本身非連續(xù)性，對(duì)基體的割裂程度低，對(duì)材料的韌性損傷小。由于(Cr，F(xiàn)e)23C6的硬度在HV1140左右、(Cr，F(xiàn)e)3C的硬度為HV800－1200，因此獲取碳化物，可以增加高鉻合金的耐磨性，見圖1所示。圖中奧氏體基體和放射狀排列的共晶碳化物(Cr，F(xiàn)e)7C3，碳化物周圍黑色區(qū)域?yàn)榧?xì)片狀珠光體。

鉻基鎢鎳鉬高耐磨合金中結(jié)晶碳化物類型與C%、Cr%含量的關(guān)系見圖2所示。從圖2中可以看出，Cr/C在3.5－10.2之間時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生(Cr， Fe)7C3型碳化物。通過添加強(qiáng)碳化物形成元素Mo提高淬透性，抑制珠光體生成，還使基體和碳化物的顯微硬度提高，使碳化物細(xì)化。Ni是穩(wěn)定的元素，可細(xì)化組織、提高高鉻鑄鐵的淬透性，使殘余奧氏體增加。W能同時(shí)提高高鉻鑄鐵基體和碳化物的硬度，提高耐磨性。

2 鉻基鎢鎳鉬高耐磨合金產(chǎn)業(yè)化思路

2013年中國的粗鋼產(chǎn)量達(dá)7.86億噸，占全球產(chǎn)量的48.5%。但由于當(dāng)前冶金企業(yè)生產(chǎn)線上的耐磨配件主要以球墨鑄鐵、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼等材質(zhì)制造而成，其耐磨性能差、更換頻繁，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率并造成了較大的資源浪費(fèi)。

高鉻鑄鐵不僅抗磨性好，而且大大削弱了高硬度相的脆化作用，相對(duì)而言有較好的韌性。同時(shí)，高鉻鑄鐵中的高硬度馬氏體基體強(qiáng)有力地支承著碳化物顆粒，避免工作過程中碳化物從磨損表面脫落。該材料主要應(yīng)用于破碎、研磨、物料輸送等機(jī)械和冶金設(shè)備［5］。

高鉻鑄鐵在生產(chǎn)應(yīng)用過程中，其冶煉、鑄造、熱處理和機(jī)加工工藝不斷改進(jìn)，從而使其綜合力學(xué)性能、耐磨性能和使用壽命逐步得到提高。同時(shí)為了多種工況的使用要求，高鉻鑄鐵可以通過對(duì)化學(xué)成分尤其是合金元素組成的微調(diào)，來實(shí)現(xiàn)不同組織結(jié)構(gòu)和性能的配合以滿足冶金及礦山行業(yè)的要求。

本文所研究的鉻基鎢鎳鉬高耐磨合金，采用碳化物類型及形態(tài)控制技術(shù)、低能耗鑄造加工技術(shù)以及鑄造用廢砂回收再生樹脂砂的利用技術(shù)，完成冶煉工藝優(yōu)化、鑄造工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化以及鑄造用樹脂砂的再生利用，開發(fā)出能耗低且生產(chǎn)清潔的高耐磨鉻鎳鉬鐵合金，所研發(fā)的新型材料，拓展了新材料應(yīng)用領(lǐng)域。

鉻基鎢鎳鉬高耐磨合金的冶煉工藝(見圖3所示):采用自硬砂回收鑄造制備砂型砂芯并進(jìn)行組裝，獲得澆鑄系統(tǒng)。根據(jù)專利技術(shù)將廢鋼冶煉成成分符合要求的高鉻合金，并將其澆入其中。待溫度降低至落砂溫度時(shí)開始落砂，所獲得的鑄件經(jīng)自回火后獲得性能符合成品要求的半成品。最后通過機(jī)加工獲得所需成品。對(duì)于落砂所產(chǎn)生的廢砂，采用自硬砂回收再生利用系統(tǒng)進(jìn)行再生回收，提高舊砂利用率和降低環(huán)境污染。

鉻基鎢鎳鉬高耐磨合金的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)路線是:以鉻基鎢鎳鉬高耐磨合金的冶煉工藝為依托，以新型雙輥精碎機(jī)、內(nèi)冷卻式輸送輥道和整體鑄造成型高耐磨合金輥道為典型產(chǎn)品，不斷優(yōu)化其成型工藝及熱處理工藝。以冶金及礦山企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)需求，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及制造技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)高性能高附加值的產(chǎn)品，并采用有限元分析軟件PROCAST對(duì)其澆鑄系統(tǒng)、澆鑄工藝進(jìn)行模擬優(yōu)化。其技術(shù)路線如圖4所示。

3 鉻基鎢鎳鉬高耐磨合金產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品

基于鉻基鎢鎳鉬高耐磨合金所開發(fā)的產(chǎn)品具有耐熱性好，耐磨性高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工況復(fù)雜、服役條件苛刻的生產(chǎn)環(huán)境。通過技術(shù)創(chuàng)新所開發(fā)的產(chǎn)品在硬度、韌性、耐磨蝕、抗疲勞試驗(yàn)等耐磨性能指標(biāo)較之以前都有了較大提高。

本文所研發(fā)的新型雙輥精碎機(jī)見圖5所示，相對(duì)輥筒破碎機(jī)，減少了安裝面積達(dá)50%以上，精碎硅晶粉成品率達(dá)98%以上，降低磨料磨損量小于0.05mm/t。

設(shè)計(jì)了高耐磨合金環(huán)棍子(見圖6所示)分為制造輥身和高耐磨合金環(huán)兩部分，加熱耐磨環(huán)后鑲漲到輥身上，耐磨環(huán)冷卻后與輥身組合成整體的輥?zhàn)?，通過更換合金環(huán)實(shí)現(xiàn)輥身的重復(fù)使用。經(jīng)高耐磨合金環(huán)棍子輸送到冷床上的鋼材溫度降低至200℃左右，輸送每噸鋼材的能耗為0.19元，提高了冷床的使用壽命。

研發(fā)了一種整體式耐磨對(duì)齊輥道見圖7所示，解決了原對(duì)齊輥道固有的穩(wěn)定性差、耐磨性低、使用壽命短等缺陷，其優(yōu)點(diǎn)見表1所示。

表1 整體式耐磨對(duì)齊輥道的優(yōu)點(diǎn)

開發(fā)了一種整體鑄造成形耐磨合金輥道見圖7所示，解決了常規(guī)輥道固有的加工工藝繁雜、輥體因受熱而延長變形、輥道運(yùn)行不平穩(wěn)狀態(tài)的缺點(diǎn)，提高輥道輸送線使用壽命5倍以上。

4 結(jié)論

本文提出了鉻基鎢鎳鉬高耐磨合金理論，研發(fā)了新型高耐磨鉻基鎢鎳鉬合金的關(guān)鍵技術(shù)。其鉻含量達(dá)24%－30%，鎳含量達(dá)5%－10%，抗高溫氧化能力達(dá)1150℃以上;在500℃以下的冷公開環(huán)境中使用可提高含碳量到2.6%－3.4%之間，合金的硬度達(dá)到HRC58－65;在降低硅含量的基礎(chǔ)上通過等溫淬火使其具有更好的韌性和抗彎能力，能適合較大沖擊磨料的磨損;在熱工況或急冷急熱工況中的含碳量在0.4%－1.5%之間，從而降低了脆性、增加了塑性和韌性;通過增加鎳、鎢和釩的含量提高其紅硬性。較普通白口鑄件和普通材質(zhì)，綜合耐磨性能普遍提高5至10倍。其各成分重量百分比見表2所示。

表2 合金配方中重量百分比

［1］ 郭亮.耐磨鋼鐵材質(zhì)發(fā)展概況［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2012 (3):6－9

［2］ 王金參，趙劍波，孫平.耐磨材料的研究現(xiàn)狀［J］.鑄造，2010(7):68－69

［3］ 陳守東，陳敬超，呂連灝.顆粒增強(qiáng)鐵基耐磨材料的研究進(jìn)展［J］.機(jī)械工程材料，2012，36(5):10－14

［4］ 李固成.Cr26高鉻鑄鐵－硬質(zhì)合金復(fù)合耐磨溜槽襯板［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，2014(3):7－12

［5］ 孫德勤.工程耐磨材料及其制造技術(shù)［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2010(12):46－50