铸造钢铁基耐磨复合材料制备工艺的研究进展_陈德东

磨损是材料失效的三大形式之一， 所造成的经 济损失十分显著。根据工业的发展现状， 铸造耐磨 材料常用于冲击磨料磨损、 高应力碾压磨料磨损、 低应力冲刷磨料磨损、 粘着磨损、 高温磨料磨损和 腐蚀磨料磨损等工况 ， 对耐磨材料的性能要求也
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表现为硬度高、 强度高和韧性高， 其中良好的硬韧 性匹配结合最为行业青睐［2］。 高铬铸铁硬度高， 在低应力作业时能够表现良 好的耐磨性， 但如果遇到冲击载荷时就很容易发生 脆性断裂； 高锰钢韧性高， 且具备良好的加工硬化 效果， 但在低应力条件下加工硬化效果不明显时， 耐磨性能表现不佳等； 新型低合金耐磨铸钢可以获 得较好的硬韧性配合
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3 耐磨复合材料制备工艺发展趋势
熔炼金属液时运用精炼和过滤技术， 提高金属 液的纯净度， 以改善钢的韧性和提高综合性能。 复合材料的服役性能好坏直接受到界面质量 的影响。通过界面结合行为研究， 了解界面结合机 理， 改进工艺技术以保证复合材料界面结合完好， 意义重大。国内外对耐磨材料复合技术及其工艺 方面已有部分研究， 但是还没有得出完备成熟的方 案， 并且对于耐磨复合材料合金化界面的形成机理 尚无统一认识， 仅着眼于结合层的金相组织所反映 出的均匀性、 有无气孔和夹渣等比较直观的层面， 缺乏深入的界面行为的探究， 有待进一步研究。 耐磨复合材料的耐磨层在使用中可能受到冲 击、 辗压或冲刷等， 根据不同的工况对耐磨层的性 能要求也偏重各异。实际生产中必须结合工件的 服役工况， 合理选择耐磨层材料， 同时也要合理匹 配基体材料。 3.1 合理选材， 充分保证耐磨性 钢铁基耐磨复合材料的开发就是让耐磨层具 有极高的耐磨性， 让基体材料提供外形支撑和相应
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专论与综述
铸造钢铁基耐磨复合材料制备工艺的研究进展*
（1 广州番禺职业技术学院 珠宝学院， 广东 广州 511483； 2 广东高校珠宝首饰工程技术开发中心， 广东 广州 511483） 要： 评述了铸造钢铁基耐磨复合材料的制备工艺和研究进展， 重点分析了双液复合铸造、 双金属镶铸及铸渗 3 种耐磨
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类金属复合的方式， 制造兼具工作部位高硬度、 基 体部位高韧性和高强度的钢铁基复合耐磨铸件来 实现耐磨部件较高的耐磨性以满足服役要求， 值得 关注。
2 铸造钢铁基耐磨复合材料制备工艺
通过铸造钢铁基复合技术， 充分考虑工作部件 的工况条件服役需要， 可实现材料的 “物尽其用” 。
1
2014 年 8 月
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， 在冲击磨损工况下其综合
性能优于高铬白口铸铁和高锰钢， 但硬度不足， 加 工硬化效果欠佳 。高铬白口铸铁韧性较低和高锰 钢初始硬度不足、 耐磨性较弱， 依然是耐磨行业的 工程技术难题。低合金耐磨铸钢能够表现较好的 硬韧性匹配， 但在一些特殊的工况中无法满足服役Βιβλιοθήκη Baidu要求 。因此， 其中借助铸造工艺通过两种不同种
为 8%～10%的普通碳钢钢筋， 可将复合材料的冲击 吸收功达到原白口铁的 5～10 倍， 并且两种材料的 界面结合力良好。通过预先制备耐磨合金块， 并固 定在锤头的形腔端位， 再浇注高温合金钢液， 以实 现耐磨合金块与高温合金块互熔结合， 这种工艺生 产的锤头寿命约为高锰钢锤头的 2 倍［10］。为提高高 锰钢在中低冲击磨损工况条件下的耐磨性， 文献 ［11］ 通过在高锰钢 （0.84% C， 12.9% Mn， 0.23% Si， 0.009% S， 0.008% P） 表 面 镶 铸 网 状 65Mn 弹 簧 钢 （0.7% C， 1.1% Mn， 0.28% Si） ， 获得以奥氏体为基体 的网状纤维束马氏体复合组织材料， 在 ML-10 运载 冲击磨料磨损试验机上进行磨损试验， 发现该镶铸 复合材料的耐磨性比仅水韧处理的高锰钢耐磨性 提高了 1 倍以上， 在相同工作条件下， 其成本节约 30%以上。也有研究人员通过在 ZGMn13 破碎机锤 头工作部位镶铸以高锰钢 （1.2% C， 13.2% Mn， 0.5% Si， 0.05% P， 0.02% S） 为基体的 TiC 硬质合金
， 用
于破碎硬石头， 与高锰钢锤头相比， 虽然生产成本 提高约 1/3， 但其使用寿命提高了近 200%。文献 ［13］ 将 ZG270-550 预先制作锤柄， 表面除杂后涂保 护剂， 放入砂型中， 再浇注高铬铸铁 （2.2%～2.6% C， 0.5%～1.0% Si， 0.6%～1.0% Mn， 14%～18% Cr， 0.8%～1.0% Mo， 0.8%～1.0% Cu， 0.2% Ti） 制作成锤 头， 经 960 ℃×4 h 风冷＋250 ℃×2 h 回火处理后， 镶块金相组织为马氏体+共晶碳化物， 锤端硬度达 58～62 HRC， 冲击韧性为 1 230 J/cm ， 界面无冷隔、
2
裂纹和夹杂等缺陷， 用于破碎石灰石 （白云石） ， 其 使用寿命是高锰钢锤头的 2 倍多。 镶铸技术在破碎机械的锤头中应用较多， 该类 锤头与普通高锰钢锤头相比， 使用寿命得到了成倍 延长。在未来的发展中应继续深入研究， 不断降低 生产成本。
2
陈德东等
铸造钢铁基耐磨复合材料制备工艺的研究进展
2014 年第 4 期
第 36 卷 第 4 期 2014 年 8 月
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山
东
冶
金
Shandong Metallurgy
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2 2 陈德东 1， ， 袁军平 1，
摘
复合材料制备工艺， 并对耐磨复合材料制备技术的未来发展方向和研究重点提出合理选材、 提高冶金质量、 应用数值模拟 技术、 探研界面结合机理等建议。 关键词： 耐磨复合材料； 铸造钢铁基； 双金属； 复合铸造； 镶铸； 铸渗 中图分类号： TG251+.2 文献标识码： A 文章编号： 1004-4620 （2014） 04-0001-03
山 东 冶 金
第 36 卷
界面夹渣等问题， 这需要在以后的研究工作中对界 面结合机理进行分析， 开发提高界面冶金质量的控 制工艺， 系统地开发适合于此类耐磨复合材料的热 处理工艺制度。 2.2 双金属镶铸复合材料 为改善低合金耐磨铸钢和高锰钢硬度较低的 情况， 在其基体上镶铸硬度较高耐磨性较好的其他 材料， 将具有高硬度和耐磨性的块材或条形材料预 先安放在铸型中， 再将基体母材浇注进去， 通过高 温态的母材对镶块 （条） 进行加热， 实现镶块 （条） 与 母材的界面熔合。同时， 为了改善白口铸铁的高脆 性， 通过埋置条形碳钢或低合金钢等韧性较高的材 料， 制造类似于纤维增强的复合材料。 有研究 表明， 通过向白口铁中镶铸体积分数
1 前
言
目前制备铸造钢铁基耐磨复合材料时， 根据工艺方 式不同， 主要有双液复合浇铸、 双金属镶铸复合和 铸渗复合等形式。 2.1 双液复合浇铸耐磨复合材料 复合浇铸耐磨复合材料由两种材质的金属液 分层浇铸而成， 其结构组成为 “衬底—过渡层—耐 磨层” 。耐磨层多用高铬耐磨铸铁。根据铸件的服 役工况， 衬底可选择中低碳铸钢和球墨铸铁、 灰铸 铁等材料， 如在承受较大冲击载荷时可使用中低碳 铸钢， 或选择球墨铸铁、 灰铸铁， 既减少耐磨层材料 用量又能够保证耐磨部件所需的强度。过渡层则 是由耐磨层金属与衬底金属混熔而成。 关于双液复合浇铸复合材料的研发工作已有 一些报道， 并逐渐用于生产。文献 ［7］ 探索了高铬 白口铸铁和铸钢复合的双金属材料生产工艺， 选用 成分符合 GB 5676—1985 标准要求的 ZG230-450 做 基材， 成分符合 GB 8263—1987 标准要求的高铬铸 铁作为耐磨层， 采用分层浇铸的方式， 使用在 250～ 350 ℃预热的金属型箱分隔砂型上下箱， 并分别设 置浇口， 在 1 330～1 380 ℃浇注高铬铸铁， 待冷却到 1 000～1 100 ℃时， 再浇入 1 460～1 480 ℃的铸钢 液， 最终形成 50～80 μm 的结合层。可实现冶金结 合， 该工艺制备的破碎机颚板用于石矿现场， 平均 寿命是高锰钢的 3～5 倍。文献 ［8］ 通过 1 550 ℃浇 注 低 合 金 钢（0.3% ～0.45% C， 0.6% ～0.8% Cr， 0.6%～0.7% Mn， Mo＞0.2， Si＜0.4） ， 待金属凝固后， 再 经 约 1 540 ℃ 浇 注 高 铬 铸 铁（2.8% ～3.1% C， 20% ～21% Cr， 1.5% ～1.8% Mn， Mo＞0.2% ， Si＜ 0.4%） ， 实现两种金属界面熔全， 获得显微硬度达 HV580 的界面结合区， 此方法应用于制造锤头， 表 现出良好的工程效果。 双液复合浇铸技术已在制造耐磨件的生产中 得到了一定程度的应用， 但实际生产中还存在着诸 如界面金属液出现冲混， 界面附近组织晶粒粗大，
的韧性支持， 以保证耐磨层在使用中不发生脱落。 目前常用的材料组合是普通碳钢、 锰钢、 低合金钢 作为基体与高铬白口铸铁做耐磨层， 这既可保证基 体的足够韧性， 又保证耐磨层足够的硬度与耐磨 性。在以后的研究中需要明确服役工况， 合理选 材， 保证材料的耐磨性。 3.2 提高冶金质量， 保证源头纯净 铸造耐磨材料的生产过程中， 出于成本的考虑 无法达到冶金质量。通过改进熔炼技术， 增设精炼 环节， 同时根据生产情况引入过滤技术， 提高钢 （铁） 液质量， 对于钢铁耐磨材料的力学性能和耐磨 性能有积极作用［2］。在双液双金属耐磨复合材料的 制造工艺上， 需要处理好界面问题， 如果通过改善 浇注金属液的质量而保证复合界面的性能良好， 具 有重大意义， 也是未来持续努力的一个方向。 3.3 应用计算科学， 模拟重要环节 排渣疏浚、 汽车制造等行业装备复杂化， 使耐 磨件结构也趋于复杂化。因此， 在耐磨件的生产过 程中， 对于复杂结构件进行复合工艺技术制造时易 受到复合层分布均匀性、 复合界面结合力等因素影 响。优化工艺确保结构复杂件在转折位复合层分 布均匀， 复合界面结合良好等， 是必须要解决的重 要课题。双金属耐磨复合材料涉及安放预制块、 分 层浇注等特殊工艺， 在铸造成型过程有新的影响因 素。通过传热理论， 借助相应的数学模型进行数值 模拟， 可预先排除可能造成的致缺陷因素。同时， 通过数值模拟分层浇注的成型过程， 可指导和控制 浇注两种金属液的时间间隔， 以获得较好的融合界 面。在热处理制度设置时， 通过冷却过程模拟， 可 防止两种材料因性质不同造成形变应力过大而产 生裂纹甚至造成破坏。应用计算科学， 开展数值模 拟， 预知重要工艺环节， 是控制产品质量、 优化产品 性能的一种可行途径。
Vol.36 No.4 August 2014
*基金项目： 广东高校珠宝首饰工程技术开发中心项目 （粤教科函 ［2012］ 131 号） 收稿日期： 2014-04-08 作者简介： 陈德东， 男， 1986 年生， 2012 年毕业于暨南大学材料学专 业， 硕士。现为广州番禺职业技术学院珠宝学院教师， 从事首饰材 料工艺研究与教学及金属耐磨材料研究与开发工作。
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2.3 铸渗耐磨复合材料 将硬质颗粒预先固定在铸型型腔， 然后注入金 属液， 金属液或渗透进入硬质颗粒的间隙， 或以对 硬质颗粒表面进行一定程度的熔化同时伴随元素 的扩散， 最终实现在铸件表面形成一层铸渗合金 层， 提高材料的耐磨性。典型的铸渗工艺有涂覆铸 渗工艺和干砂消失模铸渗工艺［14-15］。目前钢铁基体 表面铸渗复合层主要包括 SiC、 WC、 Ni-WC、 Cr-Fe 等［16］， 通过铸渗硬质颗粒， 耐磨件的服役能力得到 了明显的改善。 文献 ［17］ 研究了在 ZG30Cr 表面铸渗 WC+高碳 铬铁的渗剂， 结果发现在铸渗后材料的耐磨性得到 了显著提高， 但是 WC/高碳铬铁的含量配比会直接 影响铸渗层的耐磨性， 在满足 WC 能够熔化的前提 下， WC 的含量越高材料的耐磨性越好。铸剂中 WC 含量过高易造成大量 WC 颗粒未熔， 使基体塑性降 低， 从而降低抗塑变磨损性能。有学者 ［18］ 在高铬 铸铁表面铸渗 WC-Co 预制体陶瓷颗粒， 并经过室温 干滑动摩擦磨损试验， 以 45#钢作对磨磨损副， 发现 复合材料的相对耐磨性是高铬铸铁 （Cr26） 的 25 倍 以上， 是耐热钢 （Cr29Ni19） 的 9 倍以上。 通过铸耐磨层可有效提高材料的耐磨性， 但是 该方法受到粘接剂、 熔剂、 生产工艺控制等方面的 制约， 如果控制不当， 容易在合金层中出现气孔、 夹 渣、 结合不牢等缺陷。