鋼鐵耐磨材料成型加工技術(shù)研究

熊慎凱

（新余鋼鐵股份有限公司，江西 新余 338000）

鋼鐵耐磨材料通常是以合金的形式存在，將多個金屬材料融合鑄造而成，這種材料相比于鋼鐵材料具有較高的耐磨性能，其是一類具有特殊聲、電、光、磁、力以及化學(xué)功能的新型鋼鐵材料，被廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)技術(shù)、航天技術(shù)、生物技術(shù)等高科技領(lǐng)域以及建筑領(lǐng)域。鋼鐵耐磨材料作為新材料領(lǐng)域中的核心內(nèi)容，由于其具有良好的應(yīng)用性能，鋼鐵耐磨材料已經(jīng)成為全球新材料領(lǐng)域中重點研究對象[1]。由于鋼鐵耐磨材料鑄造原料不同，可以將鋼鐵耐磨材料分為耐磨合金鋼系、復(fù)合合金鋼系、硬質(zhì)合金鋼系、高猛合金鋼系以及抗磨鉻鑄鐵系五個系列，目前國內(nèi)外鋼鐵耐磨材料仍是以抗磨鉻鑄鐵系為主，抗磨鉻鑄鐵系組織結(jié)構(gòu)以鐵、鉻型碳化物，這種組織結(jié)構(gòu)的材料通常硬度偏高，能有效抵抗外界因素對材料的磨損，相比于其他系列的鋼鐵耐磨材料具有更好的優(yōu)勢，但是抗磨鉻鑄鐵系的耐磨材料成形加工過程復(fù)雜，成本較高，對于原料的選材和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計要求較高，并且其雖具有良好的硬度和耐磨性能，但是其斷裂韌性較差，并且鋼鐵耐磨材料的堆積孔隙率較高，傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)無法滿足鋼鐵耐磨材料鑄造要求，因此提出鋼鐵耐磨材料成型加工技術(shù)研究。此次借鑒國內(nèi)外該方面研究資料，在原有技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改良和創(chuàng)新，研究出一種新的鋼鐵耐磨材料成型加工技術(shù)，為鋼鐵耐磨材料的成形加工提供理論依據(jù)。

1 鋼鐵耐磨材料成型加工技術(shù)設(shè)計

1.1 鋼鐵耐磨基體材料的選材

鋼鐵耐磨基體材料是鑄件表層復(fù)合材料的主要組成部分，其主要作用是增加鑄件的耐磨性能，以及固定增強(qiáng)鑄件表面支撐和傳遞荷載。鋼鐵耐磨基體材料的選材不同，會影響到鑄件本身的基本力學(xué)性能，比如韌性、強(qiáng)度、耐磨、耐腐蝕以及硬度，并且對鑄件表層的保護(hù)和支持作用也是不同的[2]?？紤]到基體材料本身需要具有良好的韌性、高溫流動性能、耐磨性能，此次綜合多方面對比選擇高鉻鑄鐵作為鋼鐵耐磨基體材料，由于高鉻鑄鐵的共晶結(jié)晶與普通鑄鐵材料不同，其具有較高的鉻含量和鐵含量，使其共晶結(jié)晶的固液相界面呈不規(guī)則形態(tài)，結(jié)晶區(qū)域較為寬闊，共晶結(jié)晶為斷續(xù)的塊狀，而普通鑄鐵材料的共晶結(jié)晶為板片狀結(jié)構(gòu)，這就導(dǎo)致高鉻鑄鐵無論是力學(xué)性能還是耐磨性能都要優(yōu)于普通鑄鐵材料。此外高鉻鑄鐵具有良好的高溫流動性，這為后期鑄造過程中可獲得更深的鑄滲深度，下表為鋼鐵耐磨基體材料選材成分表。

表1 鋼鐵耐磨基體材料選材成分表（wt%）

1.2 預(yù)制體整體結(jié)構(gòu)設(shè)計及制備

確定好基體材料后需要對鑄件的預(yù)制體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計，并且對其進(jìn)行制備，預(yù)制體其實就是用于鋼鐵耐磨材料成形加工的模具，根據(jù)鑄件外形要求進(jìn)行仿形設(shè)計相應(yīng)的預(yù)制體。此次根據(jù)鋼鐵耐磨材料成形加工需求，將預(yù)制體外形設(shè)計成蜂窩狀，在后期基體材料液體澆筑過程中，材料液體可以從多個方向進(jìn)入到蜂窩狀的圓柱形孔中，提高材料鑄滲效果，為了能夠獲得理想的復(fù)合層，此次設(shè)計的預(yù)制體厚度為25mm，這個厚度是經(jīng)過多方試驗研究證明的，當(dāng)預(yù)制體厚度為25mm時，鋼鐵耐磨材料的整體韌性可以有所提高，并且還可以有效的避免澆筑過程中，表層基體材料因受到較高的沖擊荷載而出現(xiàn)整體脫落現(xiàn)象，此次設(shè)計的預(yù)制體整體為25×25×150mm3實心長條狀。

預(yù)制體的制備過程如下：首先選擇一種與基體材料潤濕性較好的基合金，并對其進(jìn)行鍍鎳處理，鍍鎳處理目的是改善基體材料與合金濕潤性[3]。然后利用高溫粘結(jié)劑將鍍鎳處理后的基合金混合填充到具有一定型腔的模具中，最后經(jīng)過固化形成一個完整的預(yù)制塊體，以此完成了預(yù)制體整體結(jié)構(gòu)設(shè)計及制備。

1.3 鋼鐵耐磨材料熔煉及澆筑

設(shè)計并制備好預(yù)制體后，將之前選好的基體材料放入到中頻感應(yīng)電爐進(jìn)行熔煉，將材料熔煉成金屬液體，在熔煉過程中需要時刻注意高鉻鑄鐵中各個金屬元素的比例以及含量變化情況，并且要嚴(yán)格控制金屬液體中Fe、Cr、C的含量，鐵和鉻的含量能夠提高鋼鐵耐磨材料的力學(xué)性能，而碳元素的含量會增強(qiáng)鋼鐵耐磨材料的耐磨性能。所以為了保證成形加工后得到的鋼鐵耐磨材料的硬度、韌性和耐磨性能，在熔煉過程中Fe的含量不得低于14.55wt%，而Cr的含量要控制在16.45-17.55 wt%之間，C的含量要控制在2.95-3.05 wt%之間。將中頻感應(yīng)電爐的熔煉時間設(shè)定在15min，熔煉溫度設(shè)定在1250-1350℃之間，在對高鉻鑄鐵進(jìn)行熔煉之前需要對中頻感應(yīng)電爐進(jìn)行預(yù)熱10min，使?fàn)t內(nèi)的溫度和環(huán)境達(dá)到高鉻鑄鐵熔煉要求。

將熔煉后得到的合金液體澆筑到之前制備好的預(yù)制體中，由于合金液體在預(yù)制體澆筑過程中會產(chǎn)生“冷鐵”效應(yīng)，這種“冷鐵”效應(yīng)會加速液體的凝固，可能會導(dǎo)致鋼鐵耐磨材料鑄滲不完全，所以在澆筑過程中要根據(jù)溫度要比預(yù)先設(shè)計的澆筑溫度高出100-150℃，這樣可以增加合金液體的保溫時間，使合金液體具有充足的熱容量，實現(xiàn)鋼鐵耐磨材料鑄滲完全。但是由于過高的澆筑溫度不僅會對鋼鐵耐磨材料各個性能產(chǎn)生影響，還會在澆筑過程中產(chǎn)生粘砂、飛邊等現(xiàn)象，所以從多方面考慮，最終的澆筑溫度為1450-1530℃。在澆筑過程中不僅要控制好澆筑溫度，還要對鑄滲深度進(jìn)行嚴(yán)格把控，金屬液體的鑄滲深度過高和過淺都會影響到鋼鐵耐磨材料最終成形加工效果，之前設(shè)計的預(yù)制體厚度為25mm，但是由于合金液體在預(yù)制體蜂窩狀圓柱形孔中燒結(jié)過程會產(chǎn)生閉孔，使合金液體澆筑過程中鑄滲深度并不能完全達(dá)到25mm，為了保證加工質(zhì)量，合金液體的鑄滲深度至少要控制在20mm-23mm之間，在澆筑5min后，將預(yù)制體長條方向正中間敲斷，這樣可以避免基體材料的再次融化，以此完成鋼鐵耐磨材料的熔煉和澆筑。

1.4 鋼鐵耐磨材料固定成形

待合金液體澆筑完成之后，將預(yù)制體放入到冷水中進(jìn)行固定成形。由于預(yù)制體進(jìn)入到冷水中，預(yù)制體中的合金成分預(yù)冷發(fā)生收縮變化，此時鑄件內(nèi)部會產(chǎn)生大量氣泡，這種氣泡會使鋼鐵耐磨材料表層和結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)空隙，如果空隙過多會影響到鋼鐵耐磨材料的金屬性能和力學(xué)性能，其中包括韌性、硬度、強(qiáng)度、耐磨性等，所以此次將鋼鐵耐磨材料固定成形分成三個階段完成。首先將預(yù)制體放入到溫度為35-55℃溫水中進(jìn)行初次冷卻，冷卻時間為15min，預(yù)制體的熱度會傳遞到溫水中，當(dāng)水溫達(dá)到500-550℃時將預(yù)制體從水中取出。然后再將預(yù)制體放入到0-10℃的水中，繼續(xù)對預(yù)制體進(jìn)行冷卻，預(yù)制體中合金開始凝固，溫度降低，熱量散失，此時氣膜厚度開始減小以致破裂，當(dāng)耐磨鑄件溫度冷卻到150℃時將預(yù)制體從水中取出。最后再將預(yù)制體放入到-100℃左右的冷水中進(jìn)行最終固定階段，此時耐磨鑄件冷卻溫度開始變慢，冷卻時間為30min，在該階段中需要對預(yù)制體在水中上、下、左、右擺動，使鋼鐵耐磨材料固定成形，30min后將預(yù)制體從水中取出，敲碎預(yù)制體即可得到鋼鐵耐磨材料，以此完成了鋼鐵耐磨材料成形加工。

2 實驗

鋼鐵耐磨材料成形加工技術(shù)是否成功，其主要取決于技術(shù)加工后鋼鐵耐磨材料堆積孔隙率是否滿足要求，一個合格的鋼鐵耐磨材料堆積孔隙率不得高于3.5%，堆積孔隙率過高說明該耐磨材料硬度、韌性以及耐磨性能較差，其計算公式如下:

公式（1）中，P 為鋼鐵耐磨材料的堆積孔隙率；V 為鋼鐵耐磨材料實體體積，單位為cm3；V堆為鋼鐵耐磨材料的堆積密度，單位為g.ml。此次實驗以鋼鐵耐磨材料作為實驗對象，利用此次設(shè)計技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)對鋼鐵耐磨材料進(jìn)行成形加工，實驗中共對兩種技術(shù)進(jìn)行五次實驗，使用到的加工設(shè)備有型號為KIB-006的中頻感應(yīng)電爐，對比兩種技術(shù)應(yīng)用下，鋼鐵耐磨材料的堆積孔隙率，實驗結(jié)果如下圖所示。

圖1 堆積孔隙率對比圖

從上圖可以看出，應(yīng)用此次設(shè)計的技術(shù)加工的鋼鐵耐磨材料堆積孔隙度低于傳統(tǒng)技術(shù)，且滿足鋼鐵耐磨材料堆積孔隙率規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，證明了此次設(shè)計的技術(shù)可以滿足鋼鐵耐磨材料成形加工要求。

3 結(jié)語

此次對鋼鐵耐磨材料成形加工技術(shù)進(jìn)行了研究，在不改變鋼鐵耐磨材料基本性能的基礎(chǔ)上，提高材料的耐消耗磨損性能，有助于提高材料的使用壽命，提高鋼鐵耐磨材料的利用率，此次研究對挖掘鋼鐵耐磨材料的性能潛力具有重要現(xiàn)實意義，同時對鋼鐵耐磨材料成形加工具有重要借鑒意義。由于此次研究時間及個人能力有限，雖然在該方面取得了一定的研究成果，但還存在一些不足之處，今后還需在該方面進(jìn)行深入研究，促進(jìn)鋼鐵耐磨材料成形加工技術(shù)應(yīng)用與推廣。