鋼鐵耐磨材料成型加工技術研究

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1 鋼鐵耐磨材料成型加工技術研究背景

近代鋼鐵材料是伴隨第一次工業(yè)革命發(fā)展起來的，由于機器設備的發(fā)展需要高性能的鋼鐵材料，出現(xiàn)了針對不同應用領域的多種類型的鋼鐵材料，鋼鐵耐磨材料就是其中的一類。

由于鑄造原料不同，可以將鋼鐵耐磨材料分為耐磨合金鋼系、復合或梯度材料及硬質合金材料系、奧貝球鐵系、高錳合金鋼系以及抗磨鉻鑄鐵系五個系列，目前國內外仍是以抗磨鉻鑄鐵系為主。雖然各類鋼鐵耐磨材料有較好的耐磨性，但是目前傳統(tǒng)的加工過程常存在加工出來的材料孔隙率較高，強度低、斷裂韌性較差等問題，因此提出鋼鐵耐磨材料成型加工技術研究。

2 鋼鐵耐磨材料成型加工技術研究過程

2.1 鋼鐵耐磨基體材料的選材

基體材料的選材不同，會影響到鑄件本身的基本力學性能，比如強度、硬度、韌性、耐磨性、耐腐蝕性等，對鑄件表層的保護和支持作用也會有所不同。作為基體材料，本身需具有良好的韌性、高溫流動性、耐磨性。由于高鉻鑄鐵具有較高的鉻含量和鐵含量，使其共晶結晶的固液相界面呈不規(guī)則形態(tài)，結晶區(qū)域較為寬闊，共晶結晶為斷續(xù)的塊狀。相對于普通鑄鐵材料板片狀結構的共晶結晶，高鉻鑄鐵無論是力學性能還是耐磨性能都更優(yōu)化。所以綜合多方面對比最終選擇高鉻鑄鐵作為鋼鐵耐磨基體材料進行后續(xù)的研究[1]。

2.2 預制體整體結構設計及制備

確定好基體材料后，需要根據(jù)鑄件外形要求對鑄件的預制體結構進行合理設計并制備。根據(jù)鋼鐵耐磨材料成形加工需求，將預制體外形設計成蜂窩狀，在后期基體材料液體澆筑過程中，材料液體可以從多個方向進入到蜂窩狀的圓柱形孔中，提高材料鑄滲效果。經(jīng)過多方試驗研究證明，當預制體厚度為25mm 時，鋼鐵耐磨材料的整體韌性有所提高，還可以有效的避免澆筑過程中，表層基體材料因受到較高的沖擊荷載而出現(xiàn)整體脫落現(xiàn)象，獲得理想的復合層，所以此次設計的預制體整體為25×25×150mm3 實心長條狀。

2.3 鋼鐵耐磨材料熔煉及澆筑

設計并制備好相應預制體后，將高鉻鑄鐵基體材料放入到中頻感應電爐中進行熔煉，熔煉溫度設定在1250-1350℃之間。由于不同元素對鋼鐵耐磨材料的影響不盡相同，如鐵和鉻的含量能夠提高鋼鐵耐磨材料的力學性能，碳元素的含量會增強鋼鐵耐磨材料的耐磨性能，所以在熔煉過程中需要時刻注意高鉻鑄鐵中各個元素的比例以及含量變化情況，特別要嚴格控制金屬液體中Fe、Cr、C的含量[2]。

將熔煉后得到的合金液體澆筑到之前制備好的預制體中，澆筑溫度為1450-1530℃，鑄滲厚度控制在20mm-25mm 之間。由于合金液體在預制體澆筑過程中會產(chǎn)生“冷鐵”效應，加速液體的凝固，從而導致鋼鐵耐磨材料鑄滲不完全，所以在澆筑過程中溫度要比預先設計的澆筑溫度高出100-150℃，這樣可以增加合金液體的保溫時間，使合金液體具有充足的熱容量，實現(xiàn)鋼鐵耐磨材料鑄滲完全。

在澆筑過程中不僅要控制好澆筑溫度，還要對鑄滲深度進行嚴格把控，金屬液體的鑄滲深度過高和過淺都會影響到鋼鐵耐磨材料最終成形加工效果，之前設計的預制體厚度為25mm，但是由于合金液體在預制體蜂窩狀圓柱形孔中燒結過程會產(chǎn)生閉孔，使合金液體澆筑過程中鑄滲深度并不能完全達到25mm，為了保證加工質量，合金液體的鑄滲深度至少要控制在20mm-23mm 之間，在澆筑5min 后，將預制體長條方向正中間敲斷，這樣可以避免基體材料的再次融化，以此完成鋼鐵耐磨材料的熔煉和澆筑[3]。

2.4 鋼鐵耐磨材料固定成形

合金液體澆筑完成之后，將預制體放入冷水中進行降溫，使其固定成形。由于預制體進入到冷水中，預制體中的合金成分遇冷發(fā)生收縮變化，鑄件內部會產(chǎn)生大量氣泡，這種氣泡會使鋼鐵耐磨材料表層和結構內部出現(xiàn)空隙。如果空隙過多會影響到鋼鐵耐磨材料的金屬性能和力學性能，包括韌性、硬度、強度、耐磨性等。所以此次將鋼鐵耐磨材料固定成形分成三個階段完成。首先將預制體放入到溫度為35-55℃溫水中進行初次冷卻，冷卻時間為15min，當水溫達到50-55℃時將預制體從水中取出。然后再將預制體放入到0-10℃的水中，繼續(xù)對預制體進行冷卻，預制體中合金開始凝固，溫度降低，熱量散失，此時氣膜厚度開始減小以致破裂，當耐磨鑄件溫度冷卻到150℃時將預制體從水中取出。最后再將預制體放入到0℃左右的冷水中進行最終固定階段，此時耐磨鑄件冷卻溫度開始變慢，冷卻時間為30min，在該階段中需要對預制體在水中上、下、左、右擺動，使鋼鐵耐磨材料固定成形，30min 后將預制體從水中取出，敲碎預制體即可得到鋼鐵耐磨材料，完成鋼鐵耐磨材料成形加工。

3 結語

此次對鋼鐵耐磨材料成形加工技術進行了研究，在不改變鋼鐵耐磨材料基本性能的基礎上，提高材料的耐消耗磨損性能，有助于提高材料的使用壽命，提高鋼鐵耐磨材料的利用率。此次研究對挖掘鋼鐵耐磨材料的性能潛力具有重要現(xiàn)實意義，對鋼鐵耐磨材料成形加工也具有重要借鑒意義。