磨矿机磨辊材料及表面强化技术研究进展

李岚峰，王晓莉，李正东，李青丰，赵晓文

（1.兰州兰石集团有限公司铸锻分公司，甘肃 兰州 730314；2.甘肃省高端铸锻件工程技术研究中心，甘肃 兰州 730314；3.兰州兰石集团有限公司，甘肃 兰州 730314）

近年来在我国制粉系统中，磨矿机以其效率高、电耗低、体积小等优点，得到了广泛的应用。

磨矿机关键核心部件磨辊磨损后，导致磨矿机出力下降、运行维护工作量增大，因此该部件材料的耐磨性能直接影响到制粉效率、精矿粉质量和运行成本。为了提高磨辊的耐磨性，进而提高制粉效率，其材料研究及强化技术一直是国内外材料学者的研究重点。本文综述了磨辊材料及其表面强化技术方面的研究进展，以期为磨辊材料的发展和应用提供可借鉴的思路和参考。

1 磨辊材料的研究进展

磨辊作为磨矿机的主要碾磨部件，不仅要求具有较高的硬度，同时也需要有一定的韧性，以确保磨辊具有较好的耐磨性和使用寿命。在磨矿机磨辊材料发展历史上，大致可以分为四代[1]：高锰钢，镍硬铸铁，耐磨合金钢和高铬铸铁，复合材料堆焊和陶瓷-金属基复合材料。

1.1 高锰钢

高锰钢在承受剧烈冲击或接触应力下，迅速出现表面硬化现象，因其优异的加工硬化能力，被广泛应用于抗冲击载荷的耐磨件。但是它只有在冲击载荷足够大时才可引起表面硬化，表现出较高的硬度，耐磨性才能得到一定的提高[2]。另外，在高温或温磨的条件下面临腐蚀磨损问题，并且因其难机加工，故磨辊采用高锰钢整体铸造。高锰钢表面硬化的同时芯部仍能保持极强的韧性，因此高锰钢铸造的磨辊外硬内韧既抗磨损又抗冲击。另外，高锰钢磨辊表面受冲击越重，表面硬化就越充分，耐磨性就越好。但在未充分硬化时，由于高锰钢自身硬度很低（HB170-230），高锰钢铸造的磨辊耐磨性是十分有限的。因此高锰钢磨辊表面若不能充分硬化，则耐磨性无法充分发挥，从而导致磨辊使用寿命减少。

1.2 镍硬铸铁

镍硬铸铁是指在普通白口铸铁加入了合金元素镍和铬，使铸铁淬透性增大，使得在铸态下得到非常硬而耐磨的马氏体基体+M3C型碳化物组织，因此镍硬铸铁铸出的磨辊能很好地抵抗坚硬的刮伤和犁削，同时在抗磨性能上比非合金和低合金白口铸铁得到大幅度提高。尽管镍硬铸铁制造的磨辊硬度高、耐磨性好，但同时由于其脆性较大，故应用范围小，目前仅有部分立磨辊采用镍硬铸铁[3]。

1.3 耐磨合金钢和高铬铸铁

20世纪中晚期，各类合金钢和高铬铸铁开始逐渐替代高锰钢和镍硬铸铁用于制备耐磨件。耐磨合金钢是一种用于磨损工况的特殊性能钢。利用该合金钢铸造的磨辊，可以通过调整合金钢的含碳量、加入不同含量的合金元素以及对铸造毛坯采用相应的热处理工艺，使磨辊在磨损条件下具有较高的强度、硬度、韧性和耐磨性。但由于该合金钢铸造磨辊的制造成本较高，故应用不广泛。

高铬铸铁是公认的具有优良的耐磨性的材质，其硬度、韧性和耐磨性均优于镍硬铸铁，已广泛地被应用于制造各种耐磨产品。高铬铸铁（高铬白口抗磨铸铁）比白口铸铁韧性、强度高很多，比合金钢的耐磨性优良，且同时兼有良好的抗高温和抗腐蚀性能。高铬铸铁具有优良的耐磨性，主要是由于其基体为马氏体组织，碳化物类型为六方晶系的（Fe，Cr）7C3，碳化物呈六角棒状、针状、条状分布，显著地改善了材质的力学性能，精矿粉对管道的磨损，属于软磨粒低应力的磨料磨损，高铬铸铁用于此工况下能发挥出其优良的性能。目前，最常用的是Cr20系高铬铸铁，与其它铬系铸铁相比，具有硬度高、韧性好、耐磨性能优良的独特优点。

利用高铬铸铁制造磨辊，高铬铸铁磨辊的制造方法是首先整体铸出磨辊毛坯，再通过机加工得到成品磨辊。但高铬铸铁机加工性能较差，不利于后续机加处理，故常采用降低铸铁中铬含量的方法提高其加工性能[4]。高铬铸铁的硬度和耐磨性与其铬含量相关，当铬含量降低，硬度和耐磨性就会相应变差。另外高铬铸铁中铬含量越高，材料脆性越大，相反铬含量越低，材料韧性越好。就总体来说使用高铬铸铁制造的磨辊硬度高、耐磨性好，但是在立式磨高冲击条件下，韧性不足，磨损速度快，导致更换周期短，维护费用高。

1.4 复合材料堆焊和陶瓷-金属基复合材料

近20年来，为了进一步提高耐磨件的服役性能，解决材料硬度与韧性之间的矛盾，陶瓷－金属基复合材料被成功地应用于制备磨矿机耐磨件。陶瓷-金属基复合材料从狭义的角度定义是指复合材料中金属和陶瓷相在三维空间上都存在界面的一类材料。因此该材料既具有陶瓷材料的优点又具有金属材料的特性，故利用陶瓷-金属基复合材料制造的磨辊不但密度低、强度高、硬度高、耐磨性高的特点，又具有高韧性和可加工性。陶瓷-金属基复合材料中陶瓷粒子的分散性和界面润湿性的优良在很大程度上决定了材料的性能，但在实际材料制备中，由于陶瓷粒子的密度远小于铁基金属熔体的密度，导致陶瓷粒子悬浮于金属熔体的表面，不容易发生界面润湿反应，从而降低了陶瓷-金属基复合材料产品的使用性能。

目前，制造磨矿机耐磨件时使用的陶瓷金属复合材料增强体大多是陶瓷颗粒增强，颗粒增强硬质相中的陶瓷材料，主要是碳化钨、氮化钛、硼化钒、硅化钼等金属陶瓷，或者是Al2O3、ZrO2、ZTA（氧化锆增韧氧化铝）等非金属高硬韧特殊陶瓷。作为基体的金属材料，主要有高铬铸铁、高锰钢、耐热钢、合金钢、碳钢、球墨铸铁等[5]。

复合材料堆焊是根据实际磨矿机磨辊辊芯形状大小，利用低合金铸钢铸造出毛坯，然后机加工出辊芯外形尺寸，之后在辊芯外围依据所需实际辊体尺寸堆焊打底层、过渡层、耐磨层。利用复合材料堆焊的磨辊的优点是可以使材料的性能优势充分发挥，达到延长磨辊使用寿命的效果，但缺点是过渡层可能存在脆性交界面，当受到冲击载荷作用时导致堆焊层剥离。另外堆焊工艺往往需要反复热循环，因此会造成堆焊层组织和成分的不均匀分布，影响磨辊的使用性能。

2 表面强化技术研究进展

磨辊生产应兼顾硬度、耐磨性及切削性能三者间的矛盾，硬度的强化被限于磨辊表面，故在磨辊材料及铸造技术选择确定的基础上，对磨辊表面强化技术开展研究，可实现其综合使用性能的进一步升华。

2.1 电弧堆焊

高铬合金铸铁堆焊不仅可以成倍的提高堆焊零部件的使用寿命，而且堆焊修复所需要的费用是更换零部件的一半甚至是更低。

高铬铸铁堆焊合金的基本成分为：1.5%～5.0%C，15% ～ 32%Cr，适量加入Ni、Si、Mn、B、Nb、Co、Mo、Cu和RE等。堆焊层的基体组织中分布有大量的残余奥氏体+共晶碳化物，其中初生碳化物（Cr，Fe）7C3的硬度可达到1300～1800HV，初生碳化物呈细长杆状，可使基体与碳化物的结合作用极大地增强，碳化物为堆焊层中主要的抗磨相。有研究表明高铬铸铁堆焊修复的耐磨层中初生碳化物的生长规律为：随含碳量增加，初生碳化物的生长方向垂直于堆焊层表面。

为改善高铬铸铁堆焊合金的性能，可在堆焊材料中加入一些合金元素。研究显示，当B含量在0.1%～0.9%时，堆焊合金中硬质相（Cr，Fe）7C3的密度随B元素含量的增加而显著增加。当B含量增加到4%～5%时，堆焊层中会形成大量的FeB，可显著改善堆焊层的耐磨性和硬度。

应力释放致使堆焊层金属的裂纹倾向很大，并且表面具有细密的网状裂纹，这有利于防止堆焊层大面积剥落。实践表明，堆焊层表面的裂纹不仅不会扩展，而且对耐磨性也没有明显的提高。堆焊前，须用砂轮打将待焊磨辊表面的砂眼、裂纹或局部剥落等缺陷清理并磨平整。堆焊时首先堆焊过渡层，待过渡层堆焊完成后再堆焊耐磨层，最后进行去应力处理。

2.2 等离子弧熔覆

等离子弧熔覆是在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度的等离子弧使之与基材表层熔凝的方法，并且与基材表层形成冶金合金涂层。等离子弧主要有激光束、电子束、离子束等，由于其能量密度高，穿透性强，广泛应用于金属表面修复或改性。

以Q235为堆焊基体材料，实验堆焊粉末采用高铬铸铁合金粉末和含30%WC的高铬铸铁基粉末。其显微硬度测试表明，高铬铸铁堆焊层的平均硬度为1243HV，而WC增强型高铬铸铁对焊层平均硬度为1632HV，堆焊层材料向母材扩散地程度非常有限，这样可以有效地保证堆焊层各项性能的完整。但是WC增强型高铬铸铁的耐磨性反而略低于高铬铸铁，可能是其硬质相缺乏基体的支撑作用，易产生破碎和剥落所致。

在45钢表面熔覆铁基合金涂层，研究表明：熔覆层组织由平面晶、胞状晶、树枝晶、等轴晶、共晶体、大块碳、硼化合物等组成，等离子熔覆层的主要相为M23C6、e2B、γ-Fe（Me）等，熔覆层的显微硬度是基体硬度的3～4倍。工件经过等离子弧熔覆以后，表明硬度明显提高，使得熔覆曾具有良好的耐磨性。研究认为熔覆曾耐磨主要有四大原因：①固溶强化；②细晶强化；③弥散强化；④沉淀强化。

2.3 激光熔覆

激光束比等离子弧的能量密度更为集中，所以对激光照射不到的部位影响极小，因此快速凝固时表面可生成细小晶粒组织或亚结构，同时在熔覆表层形成弥散分布的碳化物硬质相，使熔覆层具有良好的耐磨性。由于激光束较为集中，所以基体受到的热影响较小、不易变形等。通过激光束熔覆不同材料，可得到具有不同耐磨、耐腐蚀、耐高温抗氧化性能的熔覆层，从而达到改善材料表面性能的目的，同时降低贵重金属的消耗。激光熔覆材料体系主要有铁基合金，镍基合金，钴基合金以及金属陶瓷等。其性能取决于熔覆层的组织和相组成， 而其化学成分和加工工艺又决定了熔覆层的组织结构。

3 存在问题与展望

高铬合金铸铁因其硬度高，具有良好的耐磨性而被广泛应用于粉磨设备中，但是其长时间工作依然会导致缓慢磨损，进而导致磨损量过大而使粉末效率急剧下降。磨辊的修复也得到了广泛的关注和研究。今后还得从以下几个方面做大量工作：

增强高铬合金堆焊涂层的韧性，降低堆焊涂层制备过程中的开裂倾向。采用后处理工艺改善合金堆焊涂层的性能值得研究。

研究磨辊堆焊合金涂层时的预热处理和后热处理。预热可以一定程度上防止裂纹的产生，但不能完全避免。

改善合金碳化物的分布和形态，以及通过优化合金元素来改良高铬合金铸铁的性能，使其既保持高硬度，又具有良好的韧性。