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制备钢铁基耐磨复合材料工艺研究

来源:用户上传      作者: 王秀丽

  摘要:文章针对严重承受冲蚀磨损的机器零部件,设计制备了钢铁基耐磨复合材料,并介绍了处于技术前沿的碳化钨颗粒增强表面复合材料;阐述了制备钢铁基耐磨复合材料的常见工艺和研究现状,并指出了制备钢铁基耐磨复合材料的应用前景和方向。
  关键词:钢铁基耐磨复合材料;制备工艺;应用前景;冲蚀磨损;机器零部件 文献标识码:A
  中图分类号:TG381 文章编号:1009-2374(2016)25-0014-02 DOI:10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.25.006
  1 概述
  近年来,全世界研发耐磨材料的一个热点是钢铁基这种复合型材料,广泛用于一些磨损严重的场合。我国的耐磨型材料经过了几个时期,其中包括高铬铸铁-钢镶铸时期、双液双金属时期、高铬铸铁-钢机械复合时期。最近几年,耐磨铸铁的标志是复合大锤头(质量上大于90kg),在工业上得以广泛应用,在寿命方面,与原来使用一般的高猛钢锤头相比,复合大锤头从30%提高到100%。现阶段使用钢铁基这种材料铸造的时候,基于加工工艺的方法有所区别,采用的形式主要包括两种金属镶铸、双种液体一起浇铸和铸渗复合等。
  2 钢铁基这种耐磨材料的加工工艺
  2.1 两种液体一起浇铸的钢铁基材料
  有一部分研究工作报道两种液体一起浇铸的材料,且逐步投入生产当中。研究了铸钢和高铬白口铸铁组合这样的材料用于生产和加工工艺,基材采用ZG230-450,满足GB 5676-1985的要求,耐磨层使用高铬铸铁,且满足GB 8263-1987的要求,使用的方式是分层浇铸,金属型箱预热的温度处于250℃~350℃之间,将砂箱分隔成上下两层,且上下两层都设定了浇口,高铬铸铁浇铸的温度处于1330℃~1380℃之间,等温度降到1000℃~1100℃的时候,再把温度处于1460℃~1480℃的铸钢液注入其中,50~80微米之间的结合层就形成了。能够和冶金相复合,破碎机的颚板就是采用的这种工艺,主要适合用于石矿的场合,高猛钢寿命的3~5倍之间就是这种材料的平均寿命。利用1550℃浇灌低合金钢(0.6%~0.8%Cr,0.3%~0.45%C,Mo>0.2,0.6%~0.7%Mn,Si<0.4),等待金属冷凝之后,然后大概1540℃的时候注入到高铬铸铁里(20%~21%Cr,2.8%~3.1%C,Mo>0.2%,1.5%~1.8%Mn,Si<0.4%),这两种类型的金属界面熔合,形成界面结合的地方可以达到HV580的显微硬度,锤头制造使用的就是采用这种方法,取得了非常好的工程效果。
  生产耐磨件使用的浇铸技术就是两种液体混合的方法,在一定范围上得以应用,但在真正的生产过程中仍然有很多问题,比如界面周围的组织晶粒比较大、交界地方金属液冲混、界面掺杂杂质等,还需分析研究界面结合的原理,研发出一种工艺能够提升界面冶金的质量,全面地研发一种热处理的制度,适用于这种类型的耐磨材料。
  2.2 两种金属镶嵌的钢铁基材料
  针对高锰刚和低合金耐磨铸钢硬度相比较的状况,要想改善这种状况,就要在这种基体上镶嵌耐磨性能非常好、硬度非常高的一些其他类型的材料,在铸型当中提前放置一些耐磨性能非常好、硬度非常高的条形或者块状的材料,然后浇灌基体材料,镶块的加热是利用温度非常高的母材,主要材料和镶块就实现了界面熔合。与此同时,白口铸铁的脆性非常高,要想改善这种情况,就放置一些低合金钢或者条状的碳钢等韧性比较高的,就像纤维加强的材料。
  参考文献[1]显示,一般碳钢钢筋镶嵌在白口铁里边,这些碳钢的体积分数处于8%~10%之间,就能够大大提高冲击吸收功能,是原来的5~10倍,且这两种金属具有非常好的界面结合能力。提前制造块状的耐磨合金,在锤头形腔的位置固定块,然后把温度非常高的合金钢液体浇灌进去,熔化和结合温度非常高的合金块和耐磨性非常好的合金块,与高锰钢制造锤头的寿命相比,此工艺提高了2倍左右。在中低磨损冲击的环境下,要想提升高锰钢的耐磨能力,资料网状的65Mn弹簧钢(1.1%Mn,0.7%C,0.28%Si)镶嵌到高锰钢(12.9%Mn,0.84%C,0.23%Si,0.008%P,0.009%S)里边,本体为奥氏体的网状纤维束马氏体相互结合的材料,磨损实验使用的是ML-10试验机,在耐磨性能方面,与仅仅经过水韧的高猛钢相比,这种复合型材料提高了1倍多,在同样的环境下,这种材料节省了30%多的费用。还用一部分探究人士把主要成分为高猛钢的Ti C硬质合金镶在ZGMn13的锤头部位,主要为了把硬石头破碎,在成本方面,比高锰钢锤头多花了1/3左右的费用,但寿命提升了将近200%。资料提前把ZG270-550制成锤柄,除去其表面的杂质之后涂上一些保护剂,放到砂型当中,然后把高铬铸铁(0.5%~1.0%Si,2.2%~2.6%C,0.6%~1.0%Mn,0.8%~1.0%Mo,14%~18%Cr,0.2%Ti,0.8%~1.0%Cu)注入其中,制造出锤头,再经过4个小时温度在960℃的风冷却,加上两个小时温度在250℃的回火之后,共晶碳化物和马氏体一起构成了镶块的金相组织,锤端具有1230J/cm2的冲击韧性,硬度处于58~62HRC之间,界面掺杂杂质、裂纹和没有冷隔等,为了破碎石灰石,在寿命方面,与高锰钢材质的锤头相比,提高了2倍以上。
  破碎机的锤头通常情况都会使用镶铸这种技术,在使用寿命方面和一般的高锰钢材质的锤头相比较,这种类型的锤头成倍提高。在以后的发展趋势中,应该深入研究这方面的内容,不断减少费用。
  2.3 铸渗耐磨钢铁基复合材料
  铸型型腔里边提前固定一些硬度比较高的颗粒,再将金属液体灌注其中,颗粒物之间的空隙就会充满金属液体或者在某种程度上熔化了颗粒的表面。与此同时,还发生元素扩散现象,最后铸件的表层生成一层铸渗合金层,提高了材料的耐磨性。典型的铸渗加工工艺包括干砂消失模和涂覆这两种。现阶段主要成分为钢铁,以铸渗为表层,包含了SiC、Ni-WC、WC、Cr-Fe等,利用铸渗硬度相当高的颗粒,在很大程度上提高了耐磨件的耐磨性。资料表明:ZG30Cr的表面将高碳铬铁+WC铸渗其中,结果表明经过铸渗,在很大程度上提高了耐磨性,但高碳铬铁/WC的成分配置决定了铸渗层的耐磨性,在WC能熔的条件下,WC占的成分越多,耐磨性就越好。如果WC所占的成分过多的话,极易导致很多颗粒没有熔化,大大降低了整个材料的塑性,进而降低了抗塑性转变为磨损性。有部分研究人员把WC-CO提前制备基体陶瓷颗粒铸渗到高铬铸铁表面,且在室温的条件下做干滑动摩擦实验,对磨损副采用45号钢,与高铬铸铁相比,这种材料相对耐磨性提高了25倍以上,与耐热钢相比,提高了9倍以上。   铸耐磨层在一定程度上增加了耐磨性,但在加工工艺调控、熔剂、粘接剂等因素的限制下,这种方法一旦没有控制好,合金层极易引起结合不牢固、掺杂杂质、有气孔等不足。
  2.4 颗粒增大金属基材料
  颗粒增大钢铁基复合型材料,缩写为pRMMCs,主要成分为金属和它的合金,结合一种或多种颗粒形状的具有相容性的非金属或者金属的材料。具有很多优点,比如强度非常高、抗疲劳能力非常好、耐磨能力非常好、刚度非常高、在温度非常高的条件下使用能力非常好等。它不仅能够外加,也能在整个材料里边利用原位(insiut)复合形成,氮化物、碳化物和氧化物等陶瓷颗粒物,比如碳化硅、碳化钦、碳化硼、氧化硅、氧化铝、硼化钦等,采用这种材料制造的构件,主要的性能承受很大的载荷,因此其有强度高、弹性模量好等优点;接着就是和基体的相容性好,其中包含力学、化学、物理等很多方面,在任何条件下,各种组成元素的应变、弯曲和伸长等都能得以协调,否则,基体使用的材料和颗粒两者的热膨胀系数差别相当大,这种材料成型之后,中间会生成残余应力;接着基体能将其浸润,基体和颗粒间能够形成结合强度相当好的界面,此外还需将密度、热稳定性、熔点、费用、形状和大小等因素考虑进去。
  最近几年,全世界都十分关注颗粒状的陶瓷增强金属基这种材料。涉及到真正使用和费用方面,这种材料绝大部分用作硬度很高的表层材料,研发应用基础这个角度,就WC、TiC、Al2O3、SiC等陶瓷颗粒物的性能而言,和钢铁结合的能力,表层材料加工工艺等角度都取得了很多成就,在这个方面研发了很多种金属基表层材料。基于很强的滑动摩擦造成的磨损,尤其是磨料的情况,极易损坏的物件的耐磨层一定要厚,在这种情况下使用铸渗技术获得的表层材料应用前景相当好,已经用于工业化使用的有溜槽衬板和轧钢导卫板。就铸渗表层材料而言,其中一个核心技术就是几乎不用添加剂就能获得密度非常高的复合表层和冶金结合层,还需努力的方向是增大复合层的厚度和增加密度,然而探究的难点和重点就是把铸渗技术从平面发展成为弧面等很多复
  杂面。
  3 钢铁基复合型材料使用前景
  力学和物理性能相当好的钢铁基复合型材料,除了广泛用于航天航空方面,还广泛用于矿山机械、汽车等很多民用工业方面。工艺相当简单、制造采用的是铸造法、成本相当少,在复合型材料方面是相当具有前景的,初步已经获得了很大的经济利益。钢铁基表层材料使用铸造法制造,在生产耐热、耐蚀、耐磨等方面存在很大的潜在市场。
  就现阶段全球对这种材料的探究情况而言,基体采用黑色金属是最前沿的项目,然而颗粒增强钢铁基这种材料,采用局部组合技术是一个相当有价值的新的项目。过滤杂质泵的构件采用这种技术主要有以下优点:金属和陶瓷颗粒物结合,不仅能够避免陶瓷非常高的脆性,还能提高耐磨性能;不仅能充分体现金属的韧性,还能避免其耐磨能力不好等不良因子。采用这种表层结合的方法不仅能提高耐磨性能,还能抵抗冲击,在一定程度上提高了再利用率。
  参考文献
  [1] 赵爱民,王兆昌.加筋复合白口铁的冲击韧性和断裂
  方式的研究[J].铸造,1991,(5).
  [2] 杨兰玉,赵海军.镶铸复合锤头的研制[J].煤矿机
  械,2001,(7).
  (责任编辑:黄银芳)
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