鑄造鋼鐵基耐磨復合材料制備工藝的研究進展*

陳德東，袁軍平

（1廣州番禺職業技術學院珠寶學院，廣東廣州 511483；2廣東高校珠寶首飾工程技術開發中心，廣東廣州 511483）

專論與綜述

鑄造鋼鐵基耐磨復合材料制備工藝的研究進展*

陳德東1，2，袁軍平1，2

（1廣州番禺職業技術學院珠寶學院，廣東廣州 511483；2廣東高校珠寶首飾工程技術開發中心，廣東廣州 511483）

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

耐磨復合材料；鑄造鋼鐵基；雙金屬；復合鑄造；鑲鑄；鑄滲

1 前言

磨損是材料失效的三大形式之一，所造成的經濟損失十分顯著。根據工業的發展現狀，鑄造耐磨材料常用于沖擊磨料磨損、高應力碾壓磨料磨損、低應力沖刷磨料磨損、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為硬度高、強度高和韌性高，其中良好的硬韌性匹配結合最為行業青睞［2］。

高鉻鑄鐵硬度高，在低應力作業時能夠表現良好的耐磨性，但如果遇到沖擊載荷時就很容易發生脆性斷裂；高錳鋼韌性高，且具備良好的加工硬化效果，但在低應力條件下加工硬化效果不明顯時，耐磨性能表現不佳等；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，依然是耐磨行業的工程技術難題。低合金耐磨鑄鋼能夠表現較好的硬韌性匹配，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合耐磨鑄件來實現耐磨部件較高的耐磨性以滿足服役要求，值得關注。

2 鑄造鋼鐵基耐磨復合材料制備工藝

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

2.1 雙液復合澆鑄耐磨復合材料

復合澆鑄耐磨復合材料由兩種材質的金屬液分層澆鑄而成，其結構組成為“襯底—過渡層—耐磨層”。耐磨層多用高鉻耐磨鑄鐵。根據鑄件的服役工況，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。

關于雙液復合澆鑄復合材料的研發工作已有一些報道，并逐漸用于生產。文獻［7］探索了高鉻白口鑄鐵和鑄鋼復合的雙金屬材料生產工藝，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℃預熱的金屬型箱分隔砂型上下箱，并分別設置澆口，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的結合層。可實現冶金結合，該工藝制備的破碎機顎板用于石礦現場，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%），實現兩種金屬界面熔全，獲得顯微硬度達HV580的界面結合區，此方法應用于制造錘頭，表現出良好的工程效果。

雙液復合澆鑄技術已在制造耐磨件的生產中得到了一定程度的應用，但實際生產中還存在著諸如界面金屬液出現沖混，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合機理進行分析，開發提高界面冶金質量的控制工藝，系統地開發適合于此類耐磨復合材料的熱處理工藝制度。

2.2 雙金屬鑲鑄復合材料

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先安放在鑄型中，再將基體母材澆注進去，通過高溫態的母材對鑲塊（條）進行加熱，實現鑲塊（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合材料。

有研究［9］表明，通過向白口鐵中鑲鑄體積分數為8%～10%的普通碳鋼鋼筋，可將復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合力良好。通過預先制備耐磨合金塊，并固定在錘頭的形腔端位，再澆注高溫合金鋼液，以實現耐磨合金塊與高溫合金塊互熔結合，這種工藝生產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狀纖維束馬氏體復合組織材料，在ML-10運載沖擊磨料磨損試驗機上進行磨損試驗，發現該鑲鑄復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硬質合金［12］，用于破碎硬石頭，與高錳鋼錘頭相比，雖然生產成本提高約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。

鑲鑄技術在破碎機械的錘頭中應用較多，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。在未來的發展中應繼續深入研究，不斷降低生產成本。

2.3 鑄滲耐磨復合材料

將硬質顆粒預先固定在鑄型型腔，然后注入金屬液，金屬液或滲透進入硬質顆粒的間隙，或以對硬質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合層主要包括SiC、WC、Ni-WC、Cr-Fe等［16］，通過鑄滲硬質顆粒，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，結果發現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。有學者［18］在高鉻鑄鐵表面鑄滲WC-Co預制體陶瓷顆粒，并經過室溫干滑動摩擦磨損試驗，以45#鋼作對磨磨損副，發現復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氣孔、夾渣、結合不牢等缺陷。

3 耐磨復合材料制備工藝發展趨勢

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

復合材料的服役性能好壞直接受到界面質量的影響。通過界面結合行為研究，了解界面結合機理，改進工藝技術以保證復合材料界面結合完好，意義重大。國內外對耐磨材料復合技術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，并且對于耐磨復合材料合金化界面的形成機理尚無統一認識，僅著眼于結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。

耐磨復合材料的耐磨層在使用中可能受到沖擊、輾壓或沖刷等，根據不同的工況對耐磨層的性能要求也偏重各異。實際生產中必須結合工件的服役工況，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

鋼鐵基耐磨復合材料的開發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的韌性支持，以保證耐磨層在使用中不發生脫落。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 提高冶金質量，保證源頭純凈

鑄造耐磨材料的生產過程中，出于成本的考慮無法達到冶金質量。通過改進熔煉技術，增設精煉環節，同時根據生產情況引入過濾技術，提高鋼（鐵）液質量，對于鋼鐵耐磨材料的力學性能和耐磨性能有積極作用［2］。在雙液雙金屬耐磨復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量而保證復合界面的性能良好，具有重大意義，也是未來持續努力的一個方向。

3.3 應用計算科學，模擬重要環節

排渣疏浚、汽車制造等行業裝備復雜化，使耐磨件結構也趨于復雜化。因此，在耐磨件的生產過程中，對于復雜結構件進行復合工藝技術制造時易受到復合層分布均勻性、復合界面結合力等因素影響。優化工藝確保結構復雜件在轉折位復合層分布均勻，復合界面結合良好等，是必須要解決的重要課題。雙金屬耐磨復合材料涉及安放預制塊、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，借助相應的數學模型進行數值模擬，可預先排除可能造成的致缺陷因素。同時，通過數值模擬分層澆注的成型過程，可指導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。在熱處理制度設置時，通過冷卻過程模擬，可防止兩種材料因性質不同造成形變應力過大而產生裂紋甚至造成破壞。應用計算科學，開展數值模擬，預知重要工藝環節，是控制產品質量、優化產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開發中心項目（粵教科函［2012］131號）

2014-04-08

陳德東，男，1986年生，2012年畢業于暨南大學材料學專業，碩士。現為廣州番禺職業技術學院珠寶學院教師，從事首飾材料工藝研究與教學及金屬耐磨材料研究與開發工作。