磨礦機(jī)磨輥材料及表面強(qiáng)化技術(shù)研究進(jìn)展

李嵐峰，王曉莉，李正東，李青豐，趙曉文

（1.蘭州蘭石集團(tuán)有限公司鑄鍛分公司，甘肅 蘭州 730314；2.甘肅省高端鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730314；3.蘭州蘭石集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730314）

近年來在我國(guó)制粉系統(tǒng)中，磨礦機(jī)以其效率高、電耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。

磨礦機(jī)關(guān)鍵核心部件磨輥磨損后，導(dǎo)致磨礦機(jī)出力下降、運(yùn)行維護(hù)工作量增大，因此該部件材料的耐磨性能直接影響到制粉效率、精礦粉質(zhì)量和運(yùn)行成本。為了提高磨輥的耐磨性，進(jìn)而提高制粉效率，其材料研究及強(qiáng)化技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外材料學(xué)者的研究重點(diǎn)。本文綜述了磨輥材料及其表面強(qiáng)化技術(shù)方面的研究進(jìn)展，以期為磨輥材料的發(fā)展和應(yīng)用提供可借鑒的思路和參考。

1 磨輥材料的研究進(jìn)展

磨輥?zhàn)鳛槟サV機(jī)的主要碾磨部件，不僅要求具有較高的硬度，同時(shí)也需要有一定的韌性，以確保磨輥具有較好的耐磨性和使用壽命。在磨礦機(jī)磨輥材料發(fā)展歷史上，大致可以分為四代[1]：高錳鋼，鎳硬鑄鐵，耐磨合金鋼和高鉻鑄鐵，復(fù)合材料堆焊和陶瓷-金屬基復(fù)合材料。

1.1 高錳鋼

高錳鋼在承受劇烈沖擊或接觸應(yīng)力下，迅速出現(xiàn)表面硬化現(xiàn)象，因其優(yōu)異的加工硬化能力，被廣泛應(yīng)用于抗沖擊載荷的耐磨件。但是它只有在沖擊載荷足夠大時(shí)才可引起表面硬化，表現(xiàn)出較高的硬度，耐磨性才能得到一定的提高[2]。另外，在高溫或溫磨的條件下面臨腐蝕磨損問題，并且因其難機(jī)加工，故磨輥采用高錳鋼整體鑄造。高錳鋼表面硬化的同時(shí)芯部仍能保持極強(qiáng)的韌性，因此高錳鋼鑄造的磨輥外硬內(nèi)韌既抗磨損又抗沖擊。另外，高錳鋼磨輥表面受沖擊越重，表面硬化就越充分，耐磨性就越好。但在未充分硬化時(shí)，由于高錳鋼自身硬度很低（HB170-230），高錳鋼鑄造的磨輥耐磨性是十分有限的。因此高錳鋼磨輥表面若不能充分硬化，則耐磨性無法充分發(fā)揮，從而導(dǎo)致磨輥使用壽命減少。

1.2 鎳硬鑄鐵

鎳硬鑄鐵是指在普通白口鑄鐵加入了合金元素鎳和鉻，使鑄鐵淬透性增大，使得在鑄態(tài)下得到非常硬而耐磨的馬氏體基體+M3C型碳化物組織，因此鎳硬鑄鐵鑄出的磨輥能很好地抵抗堅(jiān)硬的刮傷和犁削，同時(shí)在抗磨性能上比非合金和低合金白口鑄鐵得到大幅度提高。盡管鎳硬鑄鐵制造的磨輥硬度高、耐磨性好，但同時(shí)由于其脆性較大，故應(yīng)用范圍小，目前僅有部分立磨輥采用鎳硬鑄鐵[3]。

1.3 耐磨合金鋼和高鉻鑄鐵

20世紀(jì)中晚期，各類合金鋼和高鉻鑄鐵開始逐漸替代高錳鋼和鎳硬鑄鐵用于制備耐磨件。耐磨合金鋼是一種用于磨損工況的特殊性能鋼。利用該合金鋼鑄造的磨輥，可以通過調(diào)整合金鋼的含碳量、加入不同含量的合金元素以及對(duì)鑄造毛坯采用相應(yīng)的熱處理工藝，使磨輥在磨損條件下具有較高的強(qiáng)度、硬度、韌性和耐磨性。但由于該合金鋼鑄造磨輥的制造成本較高，故應(yīng)用不廣泛。

高鉻鑄鐵是公認(rèn)的具有優(yōu)良的耐磨性的材質(zhì)，其硬度、韌性和耐磨性均優(yōu)于鎳硬鑄鐵，已廣泛地被應(yīng)用于制造各種耐磨產(chǎn)品。高鉻鑄鐵（高鉻白口抗磨鑄鐵）比白口鑄鐵韌性、強(qiáng)度高很多，比合金鋼的耐磨性優(yōu)良，且同時(shí)兼有良好的抗高溫和抗腐蝕性能。高鉻鑄鐵具有優(yōu)良的耐磨性，主要是由于其基體為馬氏體組織，碳化物類型為六方晶系的（Fe，Cr）7C3，碳化物呈六角棒狀、針狀、條狀分布，顯著地改善了材質(zhì)的力學(xué)性能，精礦粉對(duì)管道的磨損，屬于軟磨粒低應(yīng)力的磨料磨損，高鉻鑄鐵用于此工況下能發(fā)揮出其優(yōu)良的性能。目前，最常用的是Cr20系高鉻鑄鐵，與其它鉻系鑄鐵相比，具有硬度高、韌性好、耐磨性能優(yōu)良的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

利用高鉻鑄鐵制造磨輥，高鉻鑄鐵磨輥的制造方法是首先整體鑄出磨輥毛坯，再通過機(jī)加工得到成品磨輥。但高鉻鑄鐵機(jī)加工性能較差，不利于后續(xù)機(jī)加處理，故常采用降低鑄鐵中鉻含量的方法提高其加工性能[4]。高鉻鑄鐵的硬度和耐磨性與其鉻含量相關(guān)，當(dāng)鉻含量降低，硬度和耐磨性就會(huì)相應(yīng)變差。另外高鉻鑄鐵中鉻含量越高，材料脆性越大，相反鉻含量越低，材料韌性越好。就總體來說使用高鉻鑄鐵制造的磨輥硬度高、耐磨性好，但是在立式磨高沖擊條件下，韌性不足，磨損速度快，導(dǎo)致更換周期短，維護(hù)費(fèi)用高。

1.4 復(fù)合材料堆焊和陶瓷-金屬基復(fù)合材料

近20年來，為了進(jìn)一步提高耐磨件的服役性能，解決材料硬度與韌性之間的矛盾，陶瓷－金屬基復(fù)合材料被成功地應(yīng)用于制備磨礦機(jī)耐磨件。陶瓷-金屬基復(fù)合材料從狹義的角度定義是指復(fù)合材料中金屬和陶瓷相在三維空間上都存在界面的一類材料。因此該材料既具有陶瓷材料的優(yōu)點(diǎn)又具有金屬材料的特性，故利用陶瓷-金屬基復(fù)合材料制造的磨輥不但密度低、強(qiáng)度高、硬度高、耐磨性高的特點(diǎn)，又具有高韌性和可加工性。陶瓷-金屬基復(fù)合材料中陶瓷粒子的分散性和界面潤(rùn)濕性的優(yōu)良在很大程度上決定了材料的性能，但在實(shí)際材料制備中，由于陶瓷粒子的密度遠(yuǎn)小于鐵基金屬熔體的密度，導(dǎo)致陶瓷粒子懸浮于金屬熔體的表面，不容易發(fā)生界面潤(rùn)濕反應(yīng)，從而降低了陶瓷-金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品的使用性能。

目前，制造磨礦機(jī)耐磨件時(shí)使用的陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料增強(qiáng)體大多是陶瓷顆粒增強(qiáng)，顆粒增強(qiáng)硬質(zhì)相中的陶瓷材料，主要是碳化鎢、氮化鈦、硼化釩、硅化鉬等金屬陶瓷，或者是Al2O3、ZrO2、ZTA（氧化鋯增韌氧化鋁）等非金屬高硬韌特殊陶瓷。作為基體的金屬材料，主要有高鉻鑄鐵、高錳鋼、耐熱鋼、合金鋼、碳鋼、球墨鑄鐵等[5]。

復(fù)合材料堆焊是根據(jù)實(shí)際磨礦機(jī)磨輥輥芯形狀大小，利用低合金鑄鋼鑄造出毛坯，然后機(jī)加工出輥芯外形尺寸，之后在輥芯外圍依據(jù)所需實(shí)際輥體尺寸堆焊打底層、過渡層、耐磨層。利用復(fù)合材料堆焊的磨輥的優(yōu)點(diǎn)是可以使材料的性能優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮，達(dá)到延長(zhǎng)磨輥使用壽命的效果，但缺點(diǎn)是過渡層可能存在脆性交界面，當(dāng)受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)導(dǎo)致堆焊層剝離。另外堆焊工藝往往需要反復(fù)熱循環(huán)，因此會(huì)造成堆焊層組織和成分的不均勻分布，影響磨輥的使用性能。

2 表面強(qiáng)化技術(shù)研究進(jìn)展

磨輥生產(chǎn)應(yīng)兼顧硬度、耐磨性及切削性能三者間的矛盾，硬度的強(qiáng)化被限于磨輥表面，故在磨輥材料及鑄造技術(shù)選擇確定的基礎(chǔ)上，對(duì)磨輥表面強(qiáng)化技術(shù)開展研究，可實(shí)現(xiàn)其綜合使用性能的進(jìn)一步升華。

2.1 電弧堆焊

高鉻合金鑄鐵堆焊不僅可以成倍的提高堆焊零部件的使用壽命，而且堆焊修復(fù)所需要的費(fèi)用是更換零部件的一半甚至是更低。

高鉻鑄鐵堆焊合金的基本成分為：1.5%～5.0%C，15% ～ 32%Cr，適量加入Ni、Si、Mn、B、Nb、Co、Mo、Cu和RE等。堆焊層的基體組織中分布有大量的殘余奧氏體+共晶碳化物，其中初生碳化物（Cr，F(xiàn)e）7C3的硬度可達(dá)到1300～1800HV，初生碳化物呈細(xì)長(zhǎng)桿狀，可使基體與碳化物的結(jié)合作用極大地增強(qiáng)，碳化物為堆焊層中主要的抗磨相。有研究表明高鉻鑄鐵堆焊修復(fù)的耐磨層中初生碳化物的生長(zhǎng)規(guī)律為：隨含碳量增加，初生碳化物的生長(zhǎng)方向垂直于堆焊層表面。

為改善高鉻鑄鐵堆焊合金的性能，可在堆焊材料中加入一些合金元素。研究顯示，當(dāng)B含量在0.1%～0.9%時(shí)，堆焊合金中硬質(zhì)相（Cr，F(xiàn)e）7C3的密度隨B元素含量的增加而顯著增加。當(dāng)B含量增加到4%～5%時(shí)，堆焊層中會(huì)形成大量的FeB，可顯著改善堆焊層的耐磨性和硬度。

應(yīng)力釋放致使堆焊層金屬的裂紋傾向很大，并且表面具有細(xì)密的網(wǎng)狀裂紋，這有利于防止堆焊層大面積剝落。實(shí)踐表明，堆焊層表面的裂紋不僅不會(huì)擴(kuò)展，而且對(duì)耐磨性也沒有明顯的提高。堆焊前，須用砂輪打?qū)⒋改ポ伇砻娴纳把邸⒘鸭y或局部剝落等缺陷清理并磨平整。堆焊時(shí)首先堆焊過渡層，待過渡層堆焊完成后再堆焊耐磨層，最后進(jìn)行去應(yīng)力處理。

2.2 等離子弧熔覆

等離子弧熔覆是在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度的等離子弧使之與基材表層熔凝的方法，并且與基材表層形成冶金合金涂層。等離子弧主要有激光束、電子束、離子束等，由于其能量密度高，穿透性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于金屬表面修復(fù)或改性。

以Q235為堆焊基體材料，實(shí)驗(yàn)堆焊粉末采用高鉻鑄鐵合金粉末和含30%WC的高鉻鑄鐵基粉末。其顯微硬度測(cè)試表明，高鉻鑄鐵堆焊層的平均硬度為1243HV，而WC增強(qiáng)型高鉻鑄鐵對(duì)焊層平均硬度為1632HV，堆焊層材料向母材擴(kuò)散地程度非常有限，這樣可以有效地保證堆焊層各項(xiàng)性能的完整。但是WC增強(qiáng)型高鉻鑄鐵的耐磨性反而略低于高鉻鑄鐵，可能是其硬質(zhì)相缺乏基體的支撐作用，易產(chǎn)生破碎和剝落所致。

在45鋼表面熔覆鐵基合金涂層，研究表明：熔覆層組織由平面晶、胞狀晶、樹枝晶、等軸晶、共晶體、大塊碳、硼化合物等組成，等離子熔覆層的主要相為M23C6、e2B、γ-Fe（Me）等，熔覆層的顯微硬度是基體硬度的3～4倍。工件經(jīng)過等離子弧熔覆以后，表明硬度明顯提高，使得熔覆曾具有良好的耐磨性。研究認(rèn)為熔覆曾耐磨主要有四大原因：①固溶強(qiáng)化；②細(xì)晶強(qiáng)化；③彌散強(qiáng)化；④沉淀強(qiáng)化。

2.3 激光熔覆

激光束比等離子弧的能量密度更為集中，所以對(duì)激光照射不到的部位影響極小，因此快速凝固時(shí)表面可生成細(xì)小晶粒組織或亞結(jié)構(gòu)，同時(shí)在熔覆表層形成彌散分布的碳化物硬質(zhì)相，使熔覆層具有良好的耐磨性。由于激光束較為集中，所以基體受到的熱影響較小、不易變形等。通過激光束熔覆不同材料，可得到具有不同耐磨、耐腐蝕、耐高溫抗氧化性能的熔覆層，從而達(dá)到改善材料表面性能的目的，同時(shí)降低貴重金屬的消耗。激光熔覆材料體系主要有鐵基合金，鎳基合金，鈷基合金以及金屬陶瓷等。其性能取決于熔覆層的組織和相組成， 而其化學(xué)成分和加工工藝又決定了熔覆層的組織結(jié)構(gòu)。

3 存在問題與展望

高鉻合金鑄鐵因其硬度高，具有良好的耐磨性而被廣泛應(yīng)用于粉磨設(shè)備中，但是其長(zhǎng)時(shí)間工作依然會(huì)導(dǎo)致緩慢磨損，進(jìn)而導(dǎo)致磨損量過大而使粉末效率急劇下降。磨輥的修復(fù)也得到了廣泛的關(guān)注和研究。今后還得從以下幾個(gè)方面做大量工作：

增強(qiáng)高鉻合金堆焊涂層的韌性，降低堆焊涂層制備過程中的開裂傾向。采用后處理工藝改善合金堆焊涂層的性能值得研究。

研究磨輥堆焊合金涂層時(shí)的預(yù)熱處理和后熱處理。預(yù)熱可以一定程度上防止裂紋的產(chǎn)生，但不能完全避免。

改善合金碳化物的分布和形態(tài)，以及通過優(yōu)化合金元素來改良高鉻合金鑄鐵的性能，使其既保持高硬度，又具有良好的韌性。