磨礦機磨輥材料及表面強化技術研究進展

李嵐峰，王曉莉，李正東，李青豐，趙曉文

（1.蘭州蘭石集團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研究中心，甘肅 蘭州 730314；3.蘭州蘭石集團有限公司，甘肅 蘭州 730314）

近年來在我國制粉系統中，磨礦機以其效率高、電耗低、體積小等優點，得到了廣泛的應用。

磨礦機關鍵核心部件磨輥磨損后，導致磨礦機出力下降、運行維護工作量增大，因此該部件材料的耐磨性能直接影響到制粉效率、精礦粉質量和運行成本。為了提高磨輥的耐磨性，進而提高制粉效率，其材料研究及強化技術一直是國內外材料學者的研究重點。本文綜述了磨輥材料及其表面強化技術方面的研究進展，以期為磨輥材料的發展和應用提供可借鑒的思路和參考。

1 磨輥材料的研究進展

磨輥作為磨礦機的主要碾磨部件，不僅要求具有較高的硬度，同時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。在磨礦機磨輥材料發展歷史上，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，復合材料堆焊和陶瓷-金屬基復合材料。

1.1 高錳鋼

高錳鋼在承受劇烈沖擊或接觸應力下，迅速出現表面硬化現象，因其優異的加工硬化能力，被廣泛應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才可引起表面硬化，表現出較高的硬度，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，并且因其難機加工，故磨輥采用高錳鋼整體鑄造。高錳鋼表面硬化的同時芯部仍能保持極強的韌性，因此高錳鋼鑄造的磨輥外硬內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，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揮，從而導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硬的刮傷和犁削，同時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，但同時由于其脆性較大，故應用范圍小，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，可以通過調整合金鋼的含碳量、加入不同含量的合金元素以及對鑄造毛坯采用相應的熱處理工藝，使磨輥在磨損條件下具有較高的強度、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，故應用不廣泛。

高鉻鑄鐵是公認的具有優良的耐磨性的材質，其硬度、韌性和耐磨性均優于鎳硬鑄鐵，已廣泛地被應用于制造各種耐磨產品。高鉻鑄鐵（高鉻白口抗磨鑄鐵）比白口鑄鐵韌性、強度高很多，比合金鋼的耐磨性優良，且同時兼有良好的抗高溫和抗腐蝕性能。高鉻鑄鐵具有優良的耐磨性，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，顯著地改善了材質的力學性能，精礦粉對管道的磨損，屬于軟磨粒低應力的磨料磨損，高鉻鑄鐵用于此工況下能發揮出其優良的性能。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、耐磨性能優良的獨特優點。

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，再通過機加工得到成品磨輥。但高鉻鑄鐵機加工性能較差，不利于后續機加處理，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，當鉻含量降低，硬度和耐磨性就會相應變差。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，導致更換周期短，維護費用高。

1.4 復合材料堆焊和陶瓷-金屬基復合材料

近20年來，為了進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－金屬基復合材料被成功地應用于制備磨礦機耐磨件。陶瓷-金屬基復合材料從狹義的角度定義是指復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點又具有金屬材料的特性，故利用陶瓷-金屬基復合材料制造的磨輥不但密度低、強度高、硬度高、耐磨性高的特點，又具有高韌性和可加工性。陶瓷-金屬基復合材料中陶瓷粒子的分散性和界面潤濕性的優良在很大程度上決定了材料的性能，但在實際材料制備中，由于陶瓷粒子的密度遠小于鐵基金屬熔體的密度，導致陶瓷粒子懸浮于金屬熔體的表面，不容易發生界面潤濕反應，從而降低了陶瓷-金屬基復合材料產品的使用性能。

目前，制造磨礦機耐磨件時使用的陶瓷金屬復合材料增強體大多是陶瓷顆粒增強，顆粒增強硬質相中的陶瓷材料，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]。

復合材料堆焊是根據實際磨礦機磨輥輥芯形狀大小，利用低合金鑄鋼鑄造出毛坯，然后機加工出輥芯外形尺寸，之后在輥芯外圍依據所需實際輥體尺寸堆焊打底層、過渡層、耐磨層。利用復合材料堆焊的磨輥的優點是可以使材料的性能優勢充分發揮，達到延長磨輥使用壽命的效果，但缺點是過渡層可能存在脆性交界面，當受到沖擊載荷作用時導致堆焊層剝離。另外堆焊工藝往往需要反復熱循環，因此會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 表面強化技術研究進展

磨輥生產應兼顧硬度、耐磨性及切削性能三者間的矛盾，硬度的強化被限于磨輥表面，故在磨輥材料及鑄造技術選擇確定的基礎上，對磨輥表面強化技術開展研究，可實現其綜合使用性能的進一步升華。

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，而且堆焊修復所需要的費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，Fe）7C3的硬度可達到1300～1800HV，初生碳化物呈細長桿狀，可使基體與碳化物的結合作用極大地增強，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的耐磨層中初生碳化物的生長規律為：隨含碳量增加，初生碳化物的生長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B含量在0.1%～0.9%時，堆焊合金中硬質相（Cr，Fe）7C3的密度隨B元素含量的增加而顯著增加。當B含量增加到4%～5%時，堆焊層中會形成大量的FeB，可顯著改善堆焊層的耐磨性和硬度。

應力釋放致使堆焊層金屬的裂紋傾向很大，并且表面具有細密的網狀裂紋，這有利于防止堆焊層大面積剝落。實踐表明，堆焊層表面的裂紋不僅不會擴展，而且對耐磨性也沒有明顯的提高。堆焊前，須用砂輪打將待焊磨輥表面的砂眼、裂紋或局部剝落等缺陷清理并磨平整。堆焊時首先堆焊過渡層，待過渡層堆焊完成后再堆焊耐磨層，最后進行去應力處理。

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，廣泛應用于金屬表面修復或改性。

以Q235為堆焊基體材料，實驗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。其顯微硬度測試表明，高鉻鑄鐵堆焊層的平均硬度為1243HV，而WC增強型高鉻鑄鐵對焊層平均硬度為1632HV，堆焊層材料向母材擴散地程度非常有限，這樣可以有效地保證堆焊層各項性能的完整。但是WC增強型高鉻鑄鐵的耐磨性反而略低于高鉻鑄鐵，可能是其硬質相缺乏基體的支撐作用，易產生破碎和剝落所致。

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。研究認為熔覆曾耐磨主要有四大原因：①固溶強化；②細晶強化；③彌散強化；④沉淀強化。

2.3 激光熔覆

激光束比等離子弧的能量密度更為集中，所以對激光照射不到的部位影響極小，因此快速凝固時表面可生成細小晶粒組織或亞結構，同時在熔覆表層形成彌散分布的碳化物硬質相，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，從而達到改善材料表面性能的目的，同時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， 而其化學成分和加工工藝又決定了熔覆層的組織結構。

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用于粉磨設備中，但是其長時間工作依然會導致緩慢磨損，進而導致磨損量過大而使粉末效率急劇下降。磨輥的修復也得到了廣泛的關注和研究。今后還得從以下幾個方面做大量工作：

增強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的預熱處理和后熱處理。預熱可以一定程度上防止裂紋的產生，但不能完全避免。

改善合金碳化物的分布和形態，以及通過優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。