鑄造鋼鐵基耐磨復(fù)合材料制備工藝的研究進展*

陳德東，袁軍平

（1廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院珠寶學(xué)院，廣東廣州 511483；2廣東高校珠寶首飾工程技術(shù)開發(fā)中心，廣東廣州 511483）

專論與綜述

鑄造鋼鐵基耐磨復(fù)合材料制備工藝的研究進展*

陳德東1，2，袁軍平1，2

（1廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院珠寶學(xué)院，廣東廣州 511483；2廣東高校珠寶首飾工程技術(shù)開發(fā)中心，廣東廣州 511483）

評述了鑄造鋼鐵基耐磨復(fù)合材料的制備工藝和研究進展，重點分析了雙液復(fù)合鑄造、雙金屬鑲鑄及鑄滲3種耐磨復(fù)合材料制備工藝，并對耐磨復(fù)合材料制備技術(shù)的未來發(fā)展方向和研究重點提出合理選材、提高冶金質(zhì)量、應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)、探研界面結(jié)合機理等建議。

耐磨復(fù)合材料；鑄造鋼鐵基；雙金屬；復(fù)合鑄造；鑲鑄；鑄滲

1 前言

磨損是材料失效的三大形式之一，所造成的經(jīng)濟損失十分顯著。根據(jù)工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，鑄造耐磨材料常用于沖擊磨料磨損、高應(yīng)力碾壓磨料磨損、低應(yīng)力沖刷磨料磨損、粘著磨損、高溫磨料磨損和腐蝕磨料磨損等工況［1］，對耐磨材料的性能要求也表現(xiàn)為硬度高、強度高和韌性高，其中良好的硬韌性匹配結(jié)合最為行業(yè)青睞［2］。

高鉻鑄鐵硬度高，在低應(yīng)力作業(yè)時能夠表現(xiàn)良好的耐磨性，但如果遇到?jīng)_擊載荷時就很容易發(fā)生脆性斷裂；高錳鋼韌性高，且具備良好的加工硬化效果，但在低應(yīng)力條件下加工硬化效果不明顯時，耐磨性能表現(xiàn)不佳等；新型低合金耐磨鑄鋼可以獲得較好的硬韌性配合［3-5］，在沖擊磨損工況下其綜合性能優(yōu)于高鉻白口鑄鐵和高錳鋼，但硬度不足，加工硬化效果欠佳［6］。高鉻白口鑄鐵韌性較低和高錳鋼初始硬度不足、耐磨性較弱，依然是耐磨行業(yè)的工程技術(shù)難題。低合金耐磨鑄鋼能夠表現(xiàn)較好的硬韌性匹配，但在一些特殊的工況中無法滿足服役要求［1］。因此，其中借助鑄造工藝通過兩種不同種類金屬復(fù)合的方式，制造兼具工作部位高硬度、基體部位高韌性和高強度的鋼鐵基復(fù)合耐磨鑄件來實現(xiàn)耐磨部件較高的耐磨性以滿足服役要求，值得關(guān)注。

2 鑄造鋼鐵基耐磨復(fù)合材料制備工藝

通過鑄造鋼鐵基復(fù)合技術(shù)，充分考慮工作部件的工況條件服役需要，可實現(xiàn)材料的“物盡其用”。目前制備鑄造鋼鐵基耐磨復(fù)合材料時，根據(jù)工藝方式不同，主要有雙液復(fù)合澆鑄、雙金屬鑲鑄復(fù)合和鑄滲復(fù)合等形式。

2.1 雙液復(fù)合澆鑄耐磨復(fù)合材料

復(fù)合澆鑄耐磨復(fù)合材料由兩種材質(zhì)的金屬液分層澆鑄而成，其結(jié)構(gòu)組成為“襯底—過渡層—耐磨層”。耐磨層多用高鉻耐磨鑄鐵。根據(jù)鑄件的服役工況，襯底可選擇中低碳鑄鋼和球墨鑄鐵、灰鑄鐵等材料，如在承受較大沖擊載荷時可使用中低碳鑄鋼，或選擇球墨鑄鐵、灰鑄鐵，既減少耐磨層材料用量又能夠保證耐磨部件所需的強度。過渡層則是由耐磨層金屬與襯底金屬混熔而成。

關(guān)于雙液復(fù)合澆鑄復(fù)合材料的研發(fā)工作已有一些報道，并逐漸用于生產(chǎn)。文獻［7］探索了高鉻白口鑄鐵和鑄鋼復(fù)合的雙金屬材料生產(chǎn)工藝，選用成分符合GB 5676—1985標準要求的ZG230-450做基材，成分符合GB 8263—1987標準要求的高鉻鑄鐵作為耐磨層，采用分層澆鑄的方式，使用在250～350℃預(yù)熱的金屬型箱分隔砂型上下箱，并分別設(shè)置澆口，在1 330～1 380℃澆注高鉻鑄鐵，待冷卻到1 000～1 100℃時，再澆入1 460～1 480℃的鑄鋼液，最終形成50～80 μm的結(jié)合層。可實現(xiàn)冶金結(jié)合，該工藝制備的破碎機顎板用于石礦現(xiàn)場，平均壽命是高錳鋼的3～5倍。文獻［8］通過1 550℃澆注低合金鋼（0.3%～0.45%C，0.6%～0.8%Cr，0.6%～0.7%Mn，Mo＞0.2，Si＜0.4），待金屬凝固后，再經(jīng)約1 540℃澆注高鉻鑄鐵（2.8%～3.1%C，20%～21%Cr，1.5%～1.8%Mn，Mo＞0.2%，Si＜0.4%），實現(xiàn)兩種金屬界面熔全，獲得顯微硬度達HV580的界面結(jié)合區(qū)，此方法應(yīng)用于制造錘頭，表現(xiàn)出良好的工程效果。

雙液復(fù)合澆鑄技術(shù)已在制造耐磨件的生產(chǎn)中得到了一定程度的應(yīng)用，但實際生產(chǎn)中還存在著諸如界面金屬液出現(xiàn)沖混，界面附近組織晶粒粗大，界面夾渣等問題，這需要在以后的研究工作中對界面結(jié)合機理進行分析，開發(fā)提高界面冶金質(zhì)量的控制工藝，系統(tǒng)地開發(fā)適合于此類耐磨復(fù)合材料的熱處理工藝制度。

2.2 雙金屬鑲鑄復(fù)合材料

為改善低合金耐磨鑄鋼和高錳鋼硬度較低的情況，在其基體上鑲鑄硬度較高耐磨性較好的其他材料，將具有高硬度和耐磨性的塊材或條形材料預(yù)先安放在鑄型中，再將基體母材澆注進去，通過高溫態(tài)的母材對鑲塊（條）進行加熱，實現(xiàn)鑲塊（條）與母材的界面熔合。同時，為了改善白口鑄鐵的高脆性，通過埋置條形碳鋼或低合金鋼等韌性較高的材料，制造類似于纖維增強的復(fù)合材料。

有研究［9］表明，通過向白口鐵中鑲鑄體積分數(shù)為8%～10%的普通碳鋼鋼筋，可將復(fù)合材料的沖擊吸收功達到原白口鐵的5～10倍，并且兩種材料的界面結(jié)合力良好。通過預(yù)先制備耐磨合金塊，并固定在錘頭的形腔端位，再澆注高溫合金鋼液，以實現(xiàn)耐磨合金塊與高溫合金塊互熔結(jié)合，這種工藝生產(chǎn)的錘頭壽命約為高錳鋼錘頭的2倍［10］。為提高高錳鋼在中低沖擊磨損工況條件下的耐磨性，文獻［11］通過在高錳鋼（0.84%C，12.9%Mn，0.23%Si，0.009%S，0.008%P）表面鑲鑄網(wǎng)狀65Mn彈簧鋼（0.7%C，1.1%Mn，0.28%Si），獲得以奧氏體為基體的網(wǎng)狀纖維束馬氏體復(fù)合組織材料，在ML-10運載沖擊磨料磨損試驗機上進行磨損試驗，發(fā)現(xiàn)該鑲鑄復(fù)合材料的耐磨性比僅水韌處理的高錳鋼耐磨性提高了1倍以上，在相同工作條件下，其成本節(jié)約30%以上。也有研究人員通過在ZGMn13破碎機錘頭工作部位鑲鑄以高錳鋼（1.2%C，13.2%Mn，0.5% Si，0.05%P，0.02%S）為基體的TiC硬質(zhì)合金［12］，用于破碎硬石頭，與高錳鋼錘頭相比，雖然生產(chǎn)成本提高約1/3，但其使用壽命提高了近200%。文獻［13］將ZG270-550預(yù)先制作錘柄，表面除雜后涂保護劑，放入砂型中，再澆注高鉻鑄鐵（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）制作成錘頭，經(jīng)960℃×4 h風冷＋250℃×2 h回火處理后，鑲塊金相組織為馬氏體+共晶碳化物，錘端硬度達58～62 HRC，沖擊韌性為1 230 J/cm2，界面無冷隔、裂紋和夾雜等缺陷，用于破碎石灰石（白云石），其使用壽命是高錳鋼錘頭的2倍多。

鑲鑄技術(shù)在破碎機械的錘頭中應(yīng)用較多，該類錘頭與普通高錳鋼錘頭相比，使用壽命得到了成倍延長。在未來的發(fā)展中應(yīng)繼續(xù)深入研究，不斷降低生產(chǎn)成本。

2.3 鑄滲耐磨復(fù)合材料

將硬質(zhì)顆粒預(yù)先固定在鑄型型腔，然后注入金屬液，金屬液或滲透進入硬質(zhì)顆粒的間隙，或以對硬質(zhì)顆粒表面進行一定程度的熔化同時伴隨元素的擴散，最終實現(xiàn)在鑄件表面形成一層鑄滲合金層，提高材料的耐磨性。典型的鑄滲工藝有涂覆鑄滲工藝和干砂消失模鑄滲工藝［14-15］。目前鋼鐵基體表面鑄滲復(fù)合層主要包括SiC、WC、Ni-WC、Cr-Fe等［16］，通過鑄滲硬質(zhì)顆粒，耐磨件的服役能力得到了明顯的改善。

文獻［17］研究了在ZG30Cr表面鑄滲WC+高碳鉻鐵的滲劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在鑄滲后材料的耐磨性得到了顯著提高，但是WC/高碳鉻鐵的含量配比會直接影響鑄滲層的耐磨性，在滿足WC能夠熔化的前提下，WC的含量越高材料的耐磨性越好。鑄劑中WC含量過高易造成大量WC顆粒未熔，使基體塑性降低，從而降低抗塑變磨損性能。有學(xué)者［18］在高鉻鑄鐵表面鑄滲WC-Co預(yù)制體陶瓷顆粒，并經(jīng)過室溫干滑動摩擦磨損試驗，以45#鋼作對磨磨損副，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的相對耐磨性是高鉻鑄鐵（Cr26）的25倍以上，是耐熱鋼（Cr29Ni19）的9倍以上。

通過鑄耐磨層可有效提高材料的耐磨性，但是該方法受到粘接劑、熔劑、生產(chǎn)工藝控制等方面的制約，如果控制不當，容易在合金層中出現(xiàn)氣孔、夾渣、結(jié)合不牢等缺陷。

3 耐磨復(fù)合材料制備工藝發(fā)展趨勢

熔煉金屬液時運用精煉和過濾技術(shù)，提高金屬液的純凈度，以改善鋼的韌性和提高綜合性能。

復(fù)合材料的服役性能好壞直接受到界面質(zhì)量的影響。通過界面結(jié)合行為研究，了解界面結(jié)合機理，改進工藝技術(shù)以保證復(fù)合材料界面結(jié)合完好，意義重大。國內(nèi)外對耐磨材料復(fù)合技術(shù)及其工藝方面已有部分研究，但是還沒有得出完備成熟的方案，并且對于耐磨復(fù)合材料合金化界面的形成機理尚無統(tǒng)一認識，僅著眼于結(jié)合層的金相組織所反映出的均勻性、有無氣孔和夾渣等比較直觀的層面，缺乏深入的界面行為的探究，有待進一步研究。

耐磨復(fù)合材料的耐磨層在使用中可能受到?jīng)_擊、輾壓或沖刷等，根據(jù)不同的工況對耐磨層的性能要求也偏重各異。實際生產(chǎn)中必須結(jié)合工件的服役工況，合理選擇耐磨層材料，同時也要合理匹配基體材料。

3.1 合理選材，充分保證耐磨性

鋼鐵基耐磨復(fù)合材料的開發(fā)就是讓耐磨層具有極高的耐磨性，讓基體材料提供外形支撐和相應(yīng)的韌性支持，以保證耐磨層在使用中不發(fā)生脫落。目前常用的材料組合是普通碳鋼、錳鋼、低合金鋼作為基體與高鉻白口鑄鐵做耐磨層，這既可保證基體的足夠韌性，又保證耐磨層足夠的硬度與耐磨性。在以后的研究中需要明確服役工況，合理選材，保證材料的耐磨性。

3.2 提高冶金質(zhì)量，保證源頭純凈

鑄造耐磨材料的生產(chǎn)過程中，出于成本的考慮無法達到冶金質(zhì)量。通過改進熔煉技術(shù)，增設(shè)精煉環(huán)節(jié)，同時根據(jù)生產(chǎn)情況引入過濾技術(shù)，提高鋼（鐵）液質(zhì)量，對于鋼鐵耐磨材料的力學(xué)性能和耐磨性能有積極作用［2］。在雙液雙金屬耐磨復(fù)合材料的制造工藝上，需要處理好界面問題，如果通過改善澆注金屬液的質(zhì)量而保證復(fù)合界面的性能良好，具有重大意義，也是未來持續(xù)努力的一個方向。

3.3 應(yīng)用計算科學(xué)，模擬重要環(huán)節(jié)

排渣疏浚、汽車制造等行業(yè)裝備復(fù)雜化，使耐磨件結(jié)構(gòu)也趨于復(fù)雜化。因此，在耐磨件的生產(chǎn)過程中，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件進行復(fù)合工藝技術(shù)制造時易受到復(fù)合層分布均勻性、復(fù)合界面結(jié)合力等因素影響。優(yōu)化工藝確保結(jié)構(gòu)復(fù)雜件在轉(zhuǎn)折位復(fù)合層分布均勻，復(fù)合界面結(jié)合良好等，是必須要解決的重要課題。雙金屬耐磨復(fù)合材料涉及安放預(yù)制塊、分層澆注等特殊工藝，在鑄造成型過程有新的影響因素。通過傳熱理論，借助相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進行數(shù)值模擬，可預(yù)先排除可能造成的致缺陷因素。同時，通過數(shù)值模擬分層澆注的成型過程，可指導(dǎo)和控制澆注兩種金屬液的時間間隔，以獲得較好的融合界面。在熱處理制度設(shè)置時，通過冷卻過程模擬，可防止兩種材料因性質(zhì)不同造成形變應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂紋甚至造成破壞。應(yīng)用計算科學(xué)，開展數(shù)值模擬，預(yù)知重要工藝環(huán)節(jié)，是控制產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化產(chǎn)品性能的一種可行途徑。

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Research and Development of thePreparationson Casting Steel/Iron Matrix Wear-resistant Composites

CHEN Dedong1,2,YUAN Junping1,2
（1 Jewelry Institute of Guangzhou Panyu Polytechnic,Guangzhou 511483,China; 2 Jewelry Engineering Technology Development Center of Guangdong Colleges and Universities,Guangzhou 511483,China）

This article made a general review on the preparation and development of the casting steel/iron matrix wear-resistant composites.Especially,it analyzed the preparations process of the bi-metal liquid casting,inlay composite casting and casting infiltration.In the future works,some recommendations on the technology of the wear-resistant composites are made,matching the right components,improving the metal liquid quality,applying the computing technology to simulate the process,researching the interface bonding mechanism,etc.

wear-resistant composite;casting steel/iron matrix;bi-metal;compound casting;inlay composite casting;casting infiltration

TG251+.2

文章編號：1004-4620（2014）04-0001-03

廣東高校珠寶首飾工程技術(shù)開發(fā)中心項目（粵教科函［2012］131號）

2014-04-08

陳德東，男，1986年生，2012年畢業(yè)于暨南大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，碩士。現(xiàn)為廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院珠寶學(xué)院教師，從事首飾材料工藝研究與教學(xué)及金屬耐磨材料研究與開發(fā)工作。