铬基钨镍钼高耐磨合金耐磨机理及产业化

周金友

(马鞍山市晨光高耐磨科技发展有限公司 安徽省马鞍山 243031)

应用于磨料磨损工况条件下的特种钢铁材料称为钢铁抗磨材料或耐磨材料。磨料磨损是指由于硬颗粒或硬突起使得材料产生迁移而造成的一种磨损。在工业领域中，磨料磨损是最重要的一种磨损类型，约占50%左右。在我国冶金、矿山、建材、电力等经济建设领域，每年用于破碎、制粉的抗磨材料消耗非常巨大，以球磨机用衬板为例，我国每年消耗量为20多万t;而欧洲国家每年消耗额20亿美元，美国的消耗额则高达60亿美元［1］。同时我国每年因磨损造成的经济损失在1000亿元人民币以上，仅磨料磨损每年就要消耗300多万元金属耐磨材料，且还以每年15%的速度在增长。高寿命耐磨材料的研制和使用，关系到国民经济的长期稳定发展［2］。因此，为了减少磨料磨损所造成的经济损失，研究磨损和不断发展抗磨材料是当前耐磨材料研究热点之一。在冶金及矿山企业的生产过程中，各种耐磨配件在确保生产工序连续进行的过程中起着非常重要作用。但因生产现场存在工况复杂、服役条件苛刻等影响因素，耐磨配件是冶金及矿山企业常见的消耗部件之一。随着现代冶金及矿山行业的高速发展，迫切需要在高温、高速、冲击工况和高磨损等条件下，耐磨配件既要求保证一定的高温强度，又要求具有一定的韧性和良好耐磨性能［3，4］，以保证企业的稳产、高产，提高劳动生产效率和经济效益。

1 铬基钨镍钼高耐磨合金耐磨机理

耐磨铸铁通过添加铬、镍等合金元素以提高耐磨能力。且高铬铸铁经凝固后的组织为(Fe，Cr)7C3型碳化物和γ相，其含铬量为12%－30%、含碳量为2.4%－3.6%，通过合金化和热处理可得到马氏体的基体以及铬的特殊碳化物，这种特殊碳化物为呈六角晶系的 Me7C3，其硬度高达HV1200－1600。此外，高铬铸铁中的高铬共晶碳化物呈弥散分布状态，相当于在基体上镶嵌入高硬度的颗粒。

铬基钨镍钼高耐磨合金通过调整Cr/C之间的比例，依次形成Cr3C、Cr7C3和Cr23C6等碳化物。Fe－Cr－C系中至多可以有4个Fe原子取代Cr原子而保持M7C3(Fe4Cr3C3)的六角晶格结构。其六方棱柱初生碳化物(Cr，Fe)7C3晶体柱状面上硬度 HV1400左右，而与之垂直的基面硬度在HV1700－1900;且(Cr，Fe)7C3以孤立粒状分布，碳化物本身非连续性，对基体的割裂程度低，对材料的韧性损伤小。由于(Cr，Fe)23C6的硬度在HV1140左右、(Cr，Fe)3C的硬度为HV800－1200，因此获取碳化物，可以增加高铬合金的耐磨性，见图1所示。图中奥氏体基体和放射状排列的共晶碳化物(Cr，Fe)7C3，碳化物周围黑色区域为细片状珠光体。

铬基钨镍钼高耐磨合金中结晶碳化物类型与C%、Cr%含量的关系见图2所示。从图2中可以看出，Cr/C在3.5－10.2之间时，都会产生(Cr， Fe)7C3型碳化物。通过添加强碳化物形成元素Mo提高淬透性，抑制珠光体生成，还使基体和碳化物的显微硬度提高，使碳化物细化。Ni是稳定的元素，可细化组织、提高高铬铸铁的淬透性，使残余奥氏体增加。W能同时提高高铬铸铁基体和碳化物的硬度，提高耐磨性。

2 铬基钨镍钼高耐磨合金产业化思路

2013年中国的粗钢产量达7.86亿吨，占全球产量的48.5%。但由于当前冶金企业生产线上的耐磨配件主要以球墨铸铁、普通碳素结构钢等材质制造而成，其耐磨性能差、更换频繁，严重影响了生产效率并造成了较大的资源浪费。

高铬铸铁不仅抗磨性好，而且大大削弱了高硬度相的脆化作用，相对而言有较好的韧性。同时，高铬铸铁中的高硬度马氏体基体强有力地支承着碳化物颗粒，避免工作过程中碳化物从磨损表面脱落。该材料主要应用于破碎、研磨、物料输送等机械和冶金设备［5］。

高铬铸铁在生产应用过程中，其冶炼、铸造、热处理和机加工工艺不断改进，从而使其综合力学性能、耐磨性能和使用寿命逐步得到提高。同时为了多种工况的使用要求，高铬铸铁可以通过对化学成分尤其是合金元素组成的微调，来实现不同组织结构和性能的配合以满足冶金及矿山行业的要求。

本文所研究的铬基钨镍钼高耐磨合金，采用碳化物类型及形态控制技术、低能耗铸造加工技术以及铸造用废砂回收再生树脂砂的利用技术，完成冶炼工艺优化、铸造工艺设计与优化以及铸造用树脂砂的再生利用，开发出能耗低且生产清洁的高耐磨铬镍钼铁合金，所研发的新型材料，拓展了新材料应用领域。

铬基钨镍钼高耐磨合金的冶炼工艺(见图3所示):采用自硬砂回收铸造制备砂型砂芯并进行组装，获得浇铸系统。根据专利技术将废钢冶炼成成分符合要求的高铬合金，并将其浇入其中。待温度降低至落砂温度时开始落砂，所获得的铸件经自回火后获得性能符合成品要求的半成品。最后通过机加工获得所需成品。对于落砂所产生的废砂，采用自硬砂回收再生利用系统进行再生回收，提高旧砂利用率和降低环境污染。

铬基钨镍钼高耐磨合金的产业化技术路线是:以铬基钨镍钼高耐磨合金的冶炼工艺为依托，以新型双辊精碎机、内冷却式输送辊道和整体铸造成型高耐磨合金辊道为典型产品，不断优化其成型工艺及热处理工艺。以冶金及矿山企业的实际生产需求，采用计算机辅助设计及制造技术开发设计高性能高附加值的产品，并采用有限元分析软件PROCAST对其浇铸系统、浇铸工艺进行模拟优化。其技术路线如图4所示。

3 铬基钨镍钼高耐磨合金产业化产品

基于铬基钨镍钼高耐磨合金所开发的产品具有耐热性好，耐磨性高等特点，被广泛应用于工况复杂、服役条件苛刻的生产环境。通过技术创新所开发的产品在硬度、韧性、耐磨蚀、抗疲劳试验等耐磨性能指标较之以前都有了较大提高。

本文所研发的新型双辊精碎机见图5所示，相对辊筒破碎机，减少了安装面积达50%以上，精碎硅晶粉成品率达98%以上，降低磨料磨损量小于0.05mm/t。

设计了高耐磨合金环棍子(见图6所示)分为制造辊身和高耐磨合金环两部分，加热耐磨环后镶涨到辊身上，耐磨环冷却后与辊身组合成整体的辊子，通过更换合金环实现辊身的重复使用。经高耐磨合金环棍子输送到冷床上的钢材温度降低至200℃左右，输送每吨钢材的能耗为0.19元，提高了冷床的使用寿命。

研发了一种整体式耐磨对齐辊道见图7所示，解决了原对齐辊道固有的稳定性差、耐磨性低、使用寿命短等缺陷，其优点见表1所示。

表1 整体式耐磨对齐辊道的优点

开发了一种整体铸造成形耐磨合金辊道见图7所示，解决了常规辊道固有的加工工艺繁杂、辊体因受热而延长变形、辊道运行不平稳状态的缺点，提高辊道输送线使用寿命5倍以上。

4 结论

本文提出了铬基钨镍钼高耐磨合金理论，研发了新型高耐磨铬基钨镍钼合金的关键技术。其铬含量达24%－30%，镍含量达5%－10%，抗高温氧化能力达1150℃以上;在500℃以下的冷公开环境中使用可提高含碳量到2.6%－3.4%之间，合金的硬度达到HRC58－65;在降低硅含量的基础上通过等温淬火使其具有更好的韧性和抗弯能力，能适合较大冲击磨料的磨损;在热工况或急冷急热工况中的含碳量在0.4%－1.5%之间，从而降低了脆性、增加了塑性和韧性;通过增加镍、钨和钒的含量提高其红硬性。较普通白口铸件和普通材质，综合耐磨性能普遍提高5至10倍。其各成分重量百分比见表2所示。

表2 合金配方中重量百分比

［1］ 郭亮.耐磨钢铁材质发展概况［J］.新材料产业，2012 (3):6－9

［2］ 王金参，赵剑波，孙平.耐磨材料的研究现状［J］.铸造，2010(7):68－69

［3］ 陈守东，陈敬超，吕连灏.颗粒增强铁基耐磨材料的研究进展［J］.机械工程材料，2012，36(5):10－14

［4］ 李固成.Cr26高铬铸铁－硬质合金复合耐磨溜槽衬板［J］.中国铸造装备与技术，2014(3):7－12

［5］ 孙德勤.工程耐磨材料及其制造技术［J］.新材料产业，2010(12):46－50