王秀麗

摘要：文章針對嚴重承受沖蝕磨損的機器零部件，設計制備了鋼鐵基耐磨復合材料，并介紹了處于技術前沿的碳化鎢顆粒增強表面復合材料；闡述了制備鋼鐵基耐磨復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合材料的應用前景和方向。

關鍵詞：鋼鐵基耐磨復合材料；制備工藝；應用前景；沖蝕磨損；機器零部件 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG381 文章編號：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)耐磨材料的一個熱點是鋼鐵基這種復合型材料，廣泛用于一些磨損嚴重的場合。我國的耐磨型材料經(jīng)過了幾個時期，其中包括高鉻鑄鐵-鋼鑲鑄時期、雙液雙金屬時期、高鉻鑄鐵-鋼機械復合時期。最近幾年，耐磨鑄鐵的標志是復合大錘頭（質(zhì)量上大于90kg），在工業(yè)上得以廣泛應用，在壽命方面，與原來使用一般的高猛鋼錘頭相比，復合大錘頭從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道兩種液體一起澆鑄的材料，且逐步投入生產(chǎn)當中。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。能夠和冶金相復合，破碎機的顎板就是采用的這種工藝，主要適合用于石礦的場合，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就是兩種液體混合的方法，在一定范圍上得以應用，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現(xiàn)了界面熔合。與此同時，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，就像纖維加強的材料。

參考文獻[1]顯示，一般碳鋼鋼筋鑲嵌在白口鐵里邊，這些碳鋼的體積分數(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，磨損實驗使用的是ML-10試驗機，在耐磨性能方面，與僅僅經(jīng)過水韌的高猛鋼相比，這種復合型材料提高了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)之后涂上一些保護劑，放到砂型當中，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個小時溫度在960℃的風冷卻，加上兩個小時溫度在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。

破碎機的錘頭通常情況都會使用鑲鑄這種技術，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)展趨勢中，應該深入研究這方面的內(nèi)容，不斷減少費用。

2.3 鑄滲耐磨鋼鐵基復合材料

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，還發(fā)生元素擴散現(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?，F(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，極易導致很多顆粒沒有熔化，大大降低了整個材料的塑性，進而降低了抗塑性轉(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摩擦實驗，對磨損副采用45號鋼，與高鉻鑄鐵相比，這種材料相對耐磨性提高了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，比如強度非常高、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，也能在整個材料里邊利用原位（insiut）復合形成，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，因此其有強度高、彈性模量好等優(yōu)點；接著就是和基體的相容性好，其中包含力學、化學、物理等很多方面，在任何條件下，各種組成元素的應變、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)差別相當大，這種材料成型之后，中間會生成殘余應力；接著基體能將其浸潤，基體和顆粒間能夠形成結(jié)合強度相當好的界面，此外還需將密度、熱穩(wěn)定性、熔點、費用、形狀和大小等因素考慮進去。

最近幾年，全世界都十分關注顆粒狀的陶瓷增強金屬基這種材料。涉及到真正使用和費用方面，這種材料絕大部分用作硬度很高的表層材料，研發(fā)應用基礎這個角度，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，在這個方面研發(fā)了很多種金屬基表層材料。基于很強的滑動摩擦造成的磨損，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獲得的表層材料應用前景相當好，已經(jīng)用于工業(yè)化使用的有溜槽襯板和軋鋼導衛(wèi)板。就鑄滲表層材料而言，其中一個核心技術就是幾乎不用添加劑就能獲得密度非常高的復合表層和冶金結(jié)合層，還需努力的方向是增大復合層的厚度和增加密度，然而探究的難點和重點就是把鑄滲技術從平面發(fā)展成為弧面等很多復

雜面。

3 鋼鐵基復合型材料使用前景

力學和物理性能相當好的鋼鐵基復合型材料，除了廣泛用于航天航空方面，還廣泛用于礦山機械、汽車等很多民用工業(yè)方面。工藝相當簡單、制造采用的是鑄造法、成本相當少，在復合型材料方面是相當具有前景的，初步已經(jīng)獲得了很大的經(jīng)濟利益。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。

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目，然而顆粒增強鋼鐵基這種材料，采用局部組合技術是一個相當有價值的新的項目。過濾雜質(zhì)泵的構(gòu)件采用這種技術主要有以下優(yōu)點：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

[1] 趙愛民，王兆昌.加筋復合白口鐵的沖擊韌性和斷裂

方式的研究[J].鑄造，1991，（5）.

[2] 楊蘭玉，趙海軍.鑲鑄復合錘頭的研制[J].煤礦機

械，2001，（7）.

（責任編輯：黃銀芳）