Cr26高鉻鑄鐵-硬質(zhì)合金復(fù)合耐磨溜槽襯板

李固成

（駐馬店市永誠耐磨材料有限公司，河南駐馬店 463000）

高鉻白口鑄鐵作為第三代抗磨材料，已廣泛應(yīng)用于冶金礦山、火電能源、建材水泥、煤炭化工、工程機(jī)械等耐磨損零件領(lǐng)域，在常溫環(huán)境中素以高強(qiáng)度、強(qiáng)韌性和高耐磨性而著稱，受到市場的中肯。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，節(jié)能減排政策的強(qiáng)力推進(jìn)及其產(chǎn)品技術(shù)市場競爭的日趨激烈，極大地推動了我國先進(jìn)制造技術(shù)以前所未有的速度和廣度向前發(fā)展，傳統(tǒng)高鉻鑄鐵整體鑄造成型技術(shù)，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足日益發(fā)展的市場需要。特別是一些耐高(中)溫的關(guān)鍵設(shè)備的耐磨易損件，如鋼鐵高爐布料溜槽襯板等，亟待解決其較高耐磨性和超長使用壽命問題，以不斷實現(xiàn)高爐的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，提高勞動生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

有工業(yè)就有磨損。硬質(zhì)合金作為工業(yè)的“牙齒”和“拳頭”，由于具有高硬度、高強(qiáng)度、耐高溫和耐腐蝕等一系列優(yōu)異性能，曾被廣泛應(yīng)用在切削加工、鑿巖采掘、成型模具、耐磨易損件等領(lǐng)域。作為工具材料、耐磨材料及耐熱、耐蝕材料是其它金屬材料無法比擬的。但是，由于硬質(zhì)合金硬度高、脆性大、價格昂貴等，在一些領(lǐng)域如應(yīng)用于一些承受較大沖擊載荷條件下的易損件上或單獨使用易發(fā)生脆性斷裂或破碎，造成材料早期失效，使其應(yīng)用受到了限制。因此，從降低成本，提高工作性能和使用壽命考慮，研究開發(fā)和推廣應(yīng)用硬質(zhì)合金復(fù)合技術(shù)，無論是生產(chǎn)制造企業(yè)或是市場客戶都必須做出的一項前瞻性戰(zhàn)略選擇。

文獻(xiàn)[1-15]報道了多種鋼(鐵)基材料復(fù)合硬質(zhì)合金的制備技術(shù)，探討了復(fù)合機(jī)理，肯定了復(fù)合技術(shù)效果，指出了存在問題與不足，明確了今后研發(fā)方向。

迄今為止，對硬質(zhì)合金復(fù)合方法主要有堆焊硬質(zhì)合金法、釬焊鑲嵌硬質(zhì)合金法和鑲鑄硬質(zhì)合金法等。堆焊、釬焊鑲嵌硬質(zhì)合金法等生產(chǎn)企業(yè)需增添大量的專業(yè)設(shè)備，投資大，工藝復(fù)雜，技術(shù)水準(zhǔn)高，制造成本高，難以規(guī)?；茝V應(yīng)用。鑲鑄硬質(zhì)合金法的工藝措施主要是硬質(zhì)合金與普通碳素鋼、高錳鋼、合金鋼和球墨鑄鐵等復(fù)合鑄造。但由于這些復(fù)合的基體母材硬度偏低，在服役過程中，物料對金屬材料存在有選擇性磨損現(xiàn)象，致使基體母材磨損速率高、失效早，而往往使WC硬質(zhì)相剝落或復(fù)合硬質(zhì)合金的高耐磨性能不能完全發(fā)揮，造成投資大、成本高、收益小；而且大都采用的是鋼結(jié)硬質(zhì)合金，WC-Co硬質(zhì)合金較少。

鮑崇高等人[16]開發(fā)了一種硬質(zhì)合金-高鉻合金基耐磨復(fù)合材料的制備工藝技術(shù)，采用真空釬焊工藝，同時還輔助采用電鍍工藝在焊有硬質(zhì)合金增強(qiáng)體表面分別鍍一層鎳、一層鐵，以強(qiáng)化結(jié)合效果。該技術(shù)實用效果不明顯，且工藝復(fù)雜，難以推廣應(yīng)用開來。馮魁彥[17]報道了一種嵌鑄硬質(zhì)合金耐磨襯板及其制作方法，將硬質(zhì)合金塊排列固定在鑄造型腔內(nèi)的支架上，然后澆注耐磨鑄鋼(液)或耐磨鑄鐵(液)，使其硬質(zhì)合金塊與耐磨鑄鋼或耐磨鑄鐵嵌鑄在一起構(gòu)成襯板。該工藝明確指出基體材料采用的耐磨鑄鋼是指ZG65Mn或其它，耐磨鑄鐵是指中錳球鐵或其它。

時至今日，制備高鉻鑄鐵-硬質(zhì)合金耐磨復(fù)合材料尚處于起步階段，相關(guān)的資料鮮有報道。

因此，研究開發(fā)高鉻鑄鐵-硬質(zhì)合金復(fù)合耐磨溜槽襯板顯得十分迫切和重要，具有重要的工程應(yīng)用價值和經(jīng)濟(jì)與社會效益。

1 復(fù)合硬質(zhì)合金的試驗條件和方法

硬質(zhì)合金采用YG15，其形狀和尺寸見圖1?；w材料采用Cr26高鉻鑄鐵（化學(xué)成分見表1）。鑄造工藝采用水玻璃砂型加CO2硬化法。硬質(zhì)合金形狀采用圓柱狀，便于冶金結(jié)合，降低或消除界面鑄造殘余應(yīng)力，防止鑄件表面裂紋或開裂。硬質(zhì)合金一端鑄有成型孔洞，便于鋼釘在型腔內(nèi)的連接固定。硬質(zhì)合金的數(shù)量或間距參照常規(guī)鑄造內(nèi)冷鐵工藝標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置(見圖2)。硬質(zhì)合金使用前應(yīng)進(jìn)行必要的酸洗10～20 min,然后用自來水凈洗，將凈洗后的硬質(zhì)合金放入電熱烘爐器進(jìn)行400～600 ℃烘烤，在澆注前約10 min將連接固定好的硬質(zhì)合金置入造好的型腔內(nèi)，合箱等待澆注。

圖1 φ18×40(mm)硬質(zhì)合金YG15

圖2 硬質(zhì)合金在鑄型內(nèi)的分布

圖3 組合式硬質(zhì)合金溜槽襯板

Cr26高鉻鑄鐵鐵液是在1 000 kg中頻電爐中熔煉，采用常規(guī)熔煉澆注工藝。鑄造分體組合式溜槽襯板一套(見圖3)，并同箱澆注附鑄Y型試塊一個。冷卻后清砂打磨，檢查表面無鑄造缺陷后裝入220 kW臺車箱式電爐熱處理，回火在90 kW臺車箱式回火爐中進(jìn)行。熱處理工藝見表2。用線切割機(jī)在Y型試塊上提取10×10×55(mm)無缺口試樣3根，在同一試樣上用JB-300B半自動沖擊試驗機(jī)上分別測試沖擊韌性ak值，在同一試樣上制取金相樣品，經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光、清洗，用4%硝酸酒精浸蝕約5～10 s，再清洗、吹干后，在XSP-4XC型三目金相顯微鏡下觀察金相組織。用便攜式洛氏硬度計在鑄件本體上檢測硬度HRC值。

2 復(fù)合硬質(zhì)合金的生產(chǎn)試驗過程與控制

2.1 Cr26高鉻鑄鐵基體材料的化學(xué)成分設(shè)計原則

根據(jù)抗磨鑄件的硬度設(shè)計要高于磨料硬度的0.8倍以上原則，依據(jù)鐵礦石的硬度為HV＞760推算，高爐溜槽襯板本體的宏觀硬度HRC≥58時系統(tǒng)耐磨性好。在化學(xué)成分中，C量的選擇十分重要。由于硬質(zhì)合金與鋼(鐵)基合金線(膨)脹系數(shù)的不同，可能會在界面產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力而使鑄件萌生裂紋。C量過高，會增加鑄件萌生裂紋的傾向；C量過低，基體HRC偏低，則會降低基體對碳化物或硬質(zhì)合金的支撐作用，影響耐磨性的提高。因此，C量的選擇，應(yīng)保證共晶碳化物體積百分?jǐn)?shù)(wt%)＞25%，以提高耐磨性；為提高材料高溫穩(wěn)定性和熱硬性，添加Mo、W和V、Ti等強(qiáng)碳化物形成元素；基體平均鉻含量wt（Cr）≥13%，以期具有較好的抗高溫氧化性和抗腐蝕性能(表1)。

采用稀土復(fù)合孕育變質(zhì)處理技術(shù)，除改善共晶碳化物形態(tài)和分布外，更重要的是細(xì)化共晶碳化物，凈化晶界，提高Cr26高鉻鑄鐵的韌性和抗沖擊磨損能力。為確保材料的耐熱穩(wěn)定性或抗中、高溫回火軟化能力，除適合金屬元素外，在熱處理淬火、回火工藝規(guī)范中，應(yīng)選擇中、高溫回火。材料應(yīng)具有一定沖擊韌性，確保在低應(yīng)力沖擊鑿削磨料磨損條件下的可靠性和安全性[18]。

表1 Cr26高鉻鑄鐵溜槽襯板化學(xué)成分(wt)%

復(fù)合硬質(zhì)合金的熱處理工藝試驗及主要力學(xué)性能(見表2)。鑄件及附鑄Y型試塊經(jīng)清理打磨后，裝入熱處理爐中進(jìn)行熱處理工藝試驗。Cr26高鉻鑄鐵材料合金元素多，鑄造應(yīng)力大，為防止鑄件在熱處理過程中開裂，分別采用亞溫處理和淬火+回火熱處理工藝試驗。

2.2 復(fù)合硬質(zhì)合金的技術(shù)效果和破壞性試驗

圖4 a)熱處理工藝金相組織×400

圖5 b)熱處理工藝金相組織×400

圖6 c)熱處理工藝金相組織×400

圖7所示，硬質(zhì)合金溜槽襯板經(jīng)線切割機(jī)切割后的部分?jǐn)嗝?，黑色部分為Cr26高鉻鑄鐵基體，基體上呈灰白色的6個圓形為硬質(zhì)合金(柱)，其中一個硬質(zhì)合金被鋼液沖走移位，但未沖倒。Cr26高鉻鑄鐵基體上鑲鑄硬質(zhì)合金，冶金結(jié)合的效果十分明顯。圖8所示，硬質(zhì)合金溜槽襯板用鐵錘砸開后的部分?jǐn)嗝?，從肉眼觀察發(fā)現(xiàn)基體組織致密，內(nèi)部無鑄造缺陷，硬質(zhì)合金(暗灰色部分)在基體上鑲鑄排列規(guī)整，冶金結(jié)合的技術(shù)效果更加明晰。

表2 熱處理工藝試驗及主要力學(xué)性能

圖7 硬質(zhì)合金與基體的冶金結(jié)合

圖8 硬質(zhì)合金與基體的冶金結(jié)合

圖9 硬質(zhì)合金抗高溫氧化試驗

2.3 復(fù)合硬質(zhì)合金的抗氧化性試驗

為了驗證硬質(zhì)合金的抗高溫氧化性能，防止在熱處理過程中或在實際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的高溫氧化行為，做好技術(shù)儲備，在試驗生產(chǎn)Cr26高鉻鑄鐵鑲鑄硬質(zhì)合金前，筆者對硬質(zhì)合金的抗氧化性能進(jìn)行了試驗測試。

一種辦法是將硬質(zhì)合金(柱)機(jī)械固定在φ80×80(mm)鋼管內(nèi)，用高鋁礬土打爐料填塞充實，不允許硬質(zhì)合金裸露在外或與高溫氣體接觸發(fā)生反應(yīng)。

另一種辦法是直接將硬質(zhì)合金(柱)放在熱處理爐膛內(nèi)的爐壁板上，860 ℃/6h出爐空冷。

試驗結(jié)果如圖9所示，用鋼管封閉的硬質(zhì)合金完好無損，而無封閉的硬質(zhì)合金則完全炸裂，呈粉狀，失去應(yīng)用效能。

3 復(fù)合硬質(zhì)合金的試驗結(jié)果與分析

硬質(zhì)合金采用株洲某硬質(zhì)合金制造公司生產(chǎn)的成型W-Co硬質(zhì)合金YG15。經(jīng)測試，硬質(zhì)合金鑲鑄前的硬度為HRC69-71，密度14.2 g/cm3，與Cr26高鉻鑄鐵復(fù)合并熱處理后，硬質(zhì)合金硬度仍為HRC69-71。復(fù)合前后硬質(zhì)合金的硬度未發(fā)生明顯變化，說明其熱穩(wěn)定性能好。其原因可能在于硬質(zhì)合金的物理力學(xué)性能主要取決于合金成分、碳化鎢的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及晶粒度、粘結(jié)相成分和組織狀態(tài)等。

通過肉眼觀察機(jī)加工后試樣表面(如圖7)和破壞性試驗斷口(如圖8 )，在Cr26高鉻鑄鐵與硬質(zhì)合金復(fù)合處看不到任何縫隙，說明復(fù)合硬質(zhì)合金效果很好。

硬質(zhì)合金與Cr26高鉻鑄鐵的復(fù)合為冶金結(jié)合。在二者結(jié)合處有一不太明顯的結(jié)合區(qū)(過渡區(qū)或稱混合層)，寬度＜1 mm。結(jié)合區(qū)宏觀硬度HRC60-62,與Cr26高鉻鑄鐵基體硬度基本一致或略高。說明硬質(zhì)合金在高溫鐵液的作用下，表層有少量WC熔融現(xiàn)象，少量的WC熔融與Cr26高鉻鑄鐵鐵液的結(jié)合，增加和影響了結(jié)合區(qū)硬度的變化，形成了一個過渡區(qū)。正是由于這種界面作用和擴(kuò)散反應(yīng)使得硬質(zhì)合金與高鉻合金鑄鐵二者之間產(chǎn)生了良好的冶金結(jié)合，具有更高的界面強(qiáng)度。

這一試驗結(jié)果與文獻(xiàn)[10]的報道是吻合的。硬質(zhì)合金與工作面結(jié)合層在鑄態(tài)下，有部分不太明顯的隆起現(xiàn)象，主要集中在扎釘處，經(jīng)熱處理后，這一現(xiàn)象仍然存在，但隆起處未發(fā)現(xiàn)有裂紋或微裂紋存在。

有文獻(xiàn)報道[13]：在硬質(zhì)合金復(fù)合技術(shù)中，由于硬質(zhì)合金與鋼(鐵)的物理性能存在較大差異，如線(膨)脹系數(shù)二者之比近于1∶2，這種因線(膨)脹系數(shù)的差異所引起的殘余應(yīng)力，往往導(dǎo)致復(fù)合鑄件的破裂。

在本試驗條件下，未曾發(fā)生復(fù)合鑄件開裂現(xiàn)象。因此，減少或消除裂紋的萌生與擴(kuò)展的材料工藝技術(shù)和制備技術(shù)還有待進(jìn)一步研究與提高。硬質(zhì)合金鑲鑄量、間距和合金高度，應(yīng)結(jié)合鑄件的壁厚、使用條件如物料粒度、硬度、落差、沖擊角等，同時綜合考慮化學(xué)成分的設(shè)計和熱處理工藝參數(shù)制定等，避免鑄件在生產(chǎn)過程中或使用過程中開裂和破碎。

工業(yè)試驗實踐表明，硬質(zhì)合金鑲鑄量與Cr26高鉻鑄鐵基體之比有一最佳值，對復(fù)合質(zhì)量影響較大。在最佳值內(nèi)，實現(xiàn)了優(yōu)異的冶金結(jié)合效果，且無裂紋；超過最佳值，則有產(chǎn)生鑄態(tài)裂紋的風(fēng)險；低于最佳值或硬質(zhì)合金鑲鑄量較少，鑄件的耐磨性無法滿足使用要求，則失去復(fù)合意義。

本試驗條件下，鑄件480 ℃亞溫?zé)崽幚砗螅骄鵋RC52，金相組織觀察分析(見圖4)，基體組織為大量的A組織和部分P組織，僅有少量的M組織。分析認(rèn)為此工藝不適合在本試驗條件下的化學(xué)成分設(shè)計所要達(dá)到的技術(shù)效果，更不適合在煉鐵高爐溜槽襯板上的應(yīng)用。

圖5金相組織顯示，經(jīng) 930～960 ℃+350～450℃熱處理工藝規(guī)范，共晶碳化物或二次碳化物量較少，這可能與淬火溫度較低，二次碳化物析出較少有關(guān)。同時，基體硬度HRC55左右亦明顯偏低。通過圖6金相組織觀察分析，M基體上鑲嵌著約30%左右的共晶碳化物和二次碳化物，僅有少量的Ar，特別是菊花狀共晶碳化物的形成，是較理想的高鉻鑄鐵材料所要得到的碳化物形態(tài)，對提高耐磨性是極為有利的。

通過980 ℃退火+1 020～1 050 ℃空冷淬火+420～500 ℃回火熱處理規(guī)范，實現(xiàn)基體宏觀硬度HRC≥60，aK≥6 J/cm2，基本滿足了Cr26高鉻鑄鐵溜槽襯板的技術(shù)性能和使用性能要求。同時，Cr26高鉻鑄鐵基體上鑲鑄硬質(zhì)合金，使復(fù)合材料硬質(zhì)合金居于易磨損件(襯板)的工作面表層，距表層深(厚度)≥15 mm，這種良好的冶金結(jié)合，使Cr26高鉻鑄鐵基體不僅具有抗磨性又有效支撐了硬質(zhì)合金；高硬度的硬質(zhì)合金在服役過程中主要承擔(dān)起抗磨骨架，發(fā)揮高抗磨作用，同時其自身的高硬抗磨性又有效保護(hù)了Cr26高鉻鑄鐵基體，免受過度磨損。

這種復(fù)合材料硬質(zhì)合金的二者相互協(xié)同性，以硬質(zhì)合金為抗磨主體，以Mo、W、V、Ti等多元合金化形成的超硬韌M基體組織的強(qiáng)力支撐，形成了既具有超強(qiáng)抗磨性和一定耐熱耐腐蝕性，又具有超硬韌性，實現(xiàn)了Cr26高鉻鑄鐵基體與硬質(zhì)合金的雙層耐磨性，這種獨特的抗磨損機(jī)理，使Cr26高鉻鑄鐵-硬質(zhì)合金耐磨復(fù)合材料的技術(shù)效果發(fā)揮極致，能夠較大幅度地延長溜槽襯板的使用壽命。

4 復(fù)合硬質(zhì)合金的工業(yè)應(yīng)用

2013年4月將上述復(fù)合鑄造溜槽襯板安裝在河北某鋼鐵公司1 800 m3高爐上，2013年10月中旬臨時停機(jī)，現(xiàn)場驗證分析發(fā)現(xiàn)，落料點處溜槽襯板稍有磨損，其余部位溜槽襯板輕微磨損，工作面明光發(fā)亮，均勻性磨損清晰，尚未見硬質(zhì)合金部分外露。

據(jù)使用單位推算，預(yù)計研發(fā)的該套Cr26高鉻鑄鐵-硬質(zhì)合金復(fù)合耐磨溜槽襯板使用壽命在24～36個月之間，是原使用普通高合金整體鑄造溜槽襯板的3～6倍。明顯延長了高爐休風(fēng)期，減少了維修費用，增加了產(chǎn)鐵量，提高了勞動生產(chǎn)率，技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果顯著。

5 結(jié)語

（1）在本試驗條件下，Cr26高鉻鑄鐵-硬質(zhì)合金復(fù)合耐磨溜槽襯板，工藝穩(wěn)定性好，實現(xiàn)冶金結(jié)合，組織致密，內(nèi)部無鑄造缺陷。經(jīng)熱處理工藝規(guī)范，Cr26高鉻鑄鐵基體宏觀硬度HRC≥60，aK≥6 J/cm2；硬質(zhì)合金物理性能未發(fā)生變化。二者結(jié)合處存在一不太明顯的結(jié)合區(qū)(過渡區(qū))，寬度＜1 mm。結(jié)合區(qū)宏觀硬度HRC60-62,與Cr26高鉻鑄鐵基體硬度基本一致或略高。

（2）Mo、W 和強(qiáng)碳化物元素 V、Ti等合金化Cr26高鉻鑄鐵基體上鑲鑄高硬度WC-Co硬質(zhì)合金，使二者的優(yōu)異性能達(dá)到了一致性和協(xié)同性，在沖擊鑿削磨料磨損工況下，極大地發(fā)揮了高抗力作用。

（3）Cr26高鉻鑄鐵-硬質(zhì)合金復(fù)合耐磨溜槽襯板制備周期短，工序簡便(硬質(zhì)合金可以標(biāo)準(zhǔn)化定制)，具備規(guī)?；瘡?fù)合鑄造生產(chǎn)條件。特別是制備分體組合式溜槽襯板，更加適合鋼鐵企業(yè)的高爐大型化。因此，進(jìn)一步研究、開發(fā)和提高高鉻鑄鐵-硬質(zhì)合金復(fù)合耐磨溜槽襯板的抗沖擊性、抗耐磨性和耐高溫性能的技術(shù)措施，生產(chǎn)制備更加適用的高鉻鑄鐵-硬質(zhì)合金復(fù)合耐磨溜槽襯板，對提高我國鋼鐵企業(yè)煉鐵高爐技術(shù)有著十分重要的工程應(yīng)用價值及經(jīng)濟(jì)與社會效益。同時，也可廣泛應(yīng)用于建材水泥、火電能源、煤炭化工、工程機(jī)械等領(lǐng)域的常溫和高溫耐磨易損件，如破碎、篩分、儲運等關(guān)鍵設(shè)備的易磨損件上。

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