伊鵬躍，陳 楚，朱 琳，佟偉平

耐磨鑄鐵以其優(yōu)異的耐磨性及較低的成本廣泛應(yīng)用于礦山、煤炭、建材、冶金等行業(yè)。隨著我國(guó)制造業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)耐磨鑄鐵的消耗逐年遞增，尤其在采礦、冶金、電力等行業(yè)中，因材料磨損導(dǎo)致失效的情況愈發(fā)嚴(yán)重[1～4]。零件的磨損失效是由配合表面損傷導(dǎo)致的[5]，雖不像脆性斷裂等突然失效會(huì)造成嚴(yán)重危害，但因停產(chǎn)更換零件而降低生產(chǎn)效率。因此，如何增強(qiáng)材料的抗磨性，提高材料的使用壽命，成為備受關(guān)注的重要問(wèn)題[6～10]。

本文對(duì)耐磨鑄鐵材料的強(qiáng)化手段進(jìn)行總結(jié)，分析針對(duì)陶瓷顆粒增強(qiáng)耐磨鑄鐵材料的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，提出高性能耐磨鑄鐵材料開(kāi)發(fā)的建議與思路。

1 耐磨白口鑄鐵材料發(fā)展

耐磨白口鑄鐵材料的使用可劃分為幾個(gè)階段：

非合金白口鑄鐵

人類(lèi)使用普通白口鑄鐵的歷史可以追溯至2000 年前，普通白口鑄鐵因基體內(nèi)大量分布的滲碳體與萊氏體，能夠降低犁鏵等農(nóng)具的磨損而被使用了近千年。但普通白口鑄鐵無(wú)法承受沖擊載荷，極易折斷，因此僅適用于面粉機(jī)磨輥，球磨機(jī)磨段和清理設(shè)備中的鐵丸及星鐵等沖擊載荷較低的工況。

鎳硬鑄鐵鎳硬鑄鐵（Ni-hard）

是含Ni（3.0%～5.0%）、Cr（1.5%～3.5%） 的白口鑄鐵。Ni 的加入可以提金屬高淬透性，獲得以馬氏體為主體的基體，硬度顯著提高，耐磨性好，同時(shí)大量殘余奧氏體使材料有良好的沖擊韌性。鎳硬鑄鐵的基體為馬氏體，碳化物為M3C 型碳化物，基體與碳化物硬度相差不大，易切削，也易斷裂，易脫離基體，故其整體耐磨性能不理想。目前，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)及我國(guó)均已建立標(biāo)準(zhǔn)體系，鎳硬鑄鐵也已廣泛應(yīng)用于電力、水泥和鑄造等多個(gè)行業(yè)，如磨輥和磨環(huán)、雜質(zhì)泵過(guò)流器、軋輥、襯板及磨球等。但我國(guó)Ni 元素比較稀缺，價(jià)格較高，綜合考慮后通常選擇在耐磨鑄鐵中加入一些其他合金元素來(lái)改善白口鑄鐵的性能[11～13]。

高鉻白口鑄鐵

高鉻鑄鐵是繼普通白口鑄鐵、鎳硬鑄鐵后發(fā)展起來(lái)耐磨鑄鐵材料，泛指Cr 含量11%～30%、C 含量2.0%～3.6%之間的鉻系白口鑄鐵。Cr 的大量加入使得M3C 型碳化物向M7C3型碳化物轉(zhuǎn)變[14]，M7C3型碳化物硬度高達(dá)1 200～1 800 HV，遠(yuǎn)高于M3C 型碳化物，所以高鉻白口鑄鐵的硬度遠(yuǎn)高于鎳硬鑄鐵。同時(shí)，M7C3型碳化物呈孤桿狀獨(dú)立分布于基體中，對(duì)基體的割裂作用較小，且基體中分布的奧氏體使高鉻鑄鐵擁有較好的韌性。此外，高鉻鑄鐵兼有良好的耐高溫和耐腐蝕性能，而且容易生產(chǎn)，故廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域[15]。

高合金白口鑄鐵隨著電力、煤炭、建材、冶金等行業(yè)的飛速發(fā)展，人們希望耐磨鑄鐵能夠承受更惡劣、更復(fù)雜的工況，并減少更換耐磨零件的次數(shù)。為了提升耐磨鑄鐵的性能與壽命，有國(guó)內(nèi)外學(xué)者在高鉻白口鑄鐵成分基礎(chǔ)上，添加W、Mo、V等碳化物形成元素，制成高合金耐磨鑄鐵[16、17]，取得了良好的效果，如廣西合山電廠生產(chǎn)的XMTCrRQ-Ⅳ型高合金鑄鐵磨球不易產(chǎn)生變形，破碎率＜1%，耗球率僅為普通鍛鋼球的20%，大大減少補(bǔ)充磨球的工作量，顯著提高效益[18]。

高合金耐磨白口鑄鐵的抗磨性提升主要源自于碳化物性能的提升[19]，W、Mo、V、Ti 等元素的添加，除在M7C3型碳化物中起到固溶強(qiáng)化作用，提升其硬度外，還能夠促使材料中的碳化物類(lèi)型發(fā)生改變（見(jiàn)表1），其中的MC、M2C 型碳化物硬度極高，能夠直接提升耐磨材的抗磨性，在熱處理過(guò)程中，又能有效抑制奧氏體晶粒的生長(zhǎng)[21]，促進(jìn)基體組織的細(xì)化，提升基體的塑韌性，改善碳化物的抗剝落性，全方位提升材料的抗磨性。

表1 高合金鑄鐵中的碳化物 [20]

然而，高合金鑄鐵中含有大量的W、Mo 等昂貴的合金元素，使得高合金鑄鐵的應(yīng)用受到成本的制約，也使得通過(guò)繼續(xù)增加合金元素提升材料抗磨性能及使用壽命無(wú)法持續(xù)。為了進(jìn)一步提升耐磨鑄鐵的抗磨性及壽命，鐵基耐磨復(fù)合材料逐漸進(jìn)入人們視野。

2 耐磨白口鑄鐵基復(fù)合材料的發(fā)展

顧名思義，耐磨白口鑄鐵基復(fù)合材料是指通過(guò)在耐磨鑄鐵中引入一定數(shù)量的陶瓷增強(qiáng)體，利用兩種材料各自的優(yōu)勢(shì)，提升材料的抗磨性及使用壽命。耐磨復(fù)合材料由軍用到民用的推廣，始于上世紀(jì)80 年代，自1983 年本田汽車(chē)推出陶瓷纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料零件——發(fā)動(dòng)機(jī)鋁活塞[22]以來(lái)，耐磨復(fù)合材料逐漸得到推廣。

其中，以Al、Mg、Ti 等輕金屬為基體的復(fù)合材料得到快速發(fā)展，尤其是顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)相對(duì)成熟[23]。但由于這類(lèi)輕合金基體復(fù)合材料的基體硬度低，塑性也差，承受沖擊磨損載荷的能力較弱，與耐磨白口鑄鐵相比耐磨性仍有較大差距，無(wú)法滿足大載荷的磨損工況。因此，為有效提升材料性能，延長(zhǎng)零件的使用壽命，鐵基耐磨復(fù)合材料受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。隨著越來(lái)越多科技成果的轉(zhuǎn)化，鐵基耐磨復(fù)合材料得到推廣。比利時(shí)Magotteaux 公司將高硬度異質(zhì)陶瓷顆粒制成多孔陶瓷芯板鑲嵌在立磨高鉻合金的磨輥及磨盤(pán)表面，在實(shí)際應(yīng)用中該合金輥套比高鉻合金輥套的壽命高一倍以上，破碎機(jī)錘頭的使用壽命達(dá)到合金錘頭的1～1.8 倍。日本Kurimolo 公司成功研制出由燒結(jié)碳化鎢合金粉和高鉻鑄鐵構(gòu)成的復(fù)合材料，將高鉻鑄鐵運(yùn)輸機(jī)襯板換成高鉻鑄鐵復(fù)合材料，使用壽命由30～50 天提高到670 天以上；日本富士電機(jī)公司研發(fā)的耐氣蝕、耐砂土腐蝕鐵基復(fù)合材料比Cr13 鑄件的耐氣蝕性提高10 倍；美國(guó)Alloy Technology Internetional 公司研制的Ferro-TiC復(fù)合材料的使用壽命在相同磨損條件下比工具鋼提高約20 倍。印度AIAT 程有限公司發(fā)明的高耐磨鐵基陶瓷材料制成磨輥輥套和磨盤(pán)襯板后，耐磨性提高到堆焊修復(fù)件的2 倍以上，將此陶瓷材料鑲嵌在磨輥套中形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)熱處理，使材料在達(dá)到足夠硬度的基礎(chǔ)上還具有一定的延展性，有效吸收使用中的沖擊能量，大大提高材料的耐沖擊性能[24、 25]。

鐵基耐磨復(fù)合材料比傳統(tǒng)的耐磨白口鑄鐵在性能上有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但目前尚無(wú)法全面取代耐磨白口鑄鐵，主要原因是其制造成本較高。

3 耐磨鑄鐵基復(fù)合材料的制造

耐磨鑄鐵基復(fù)合材料的制造，需將一種或多種陶瓷與耐磨鑄鐵復(fù)合在一起，有效發(fā)揮陶瓷與金屬的性能優(yōu)勢(shì)并通過(guò)兩者之間的相互作用獲得良好的綜合性能。根據(jù)增強(qiáng)體的形態(tài)特征可以把金屬基復(fù)合材料分為：顆粒增強(qiáng)、纖維增強(qiáng)和層狀增強(qiáng)。由于一般耐磨鑄鐵的潤(rùn)濕性比較差，而增強(qiáng)體與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度是決定復(fù)合材料性能的重要因素之一，故通常選擇顆粒作為耐磨鑄鐵基復(fù)合材料的增強(qiáng)體。對(duì)于增強(qiáng)體顆粒都應(yīng)滿足以下條件：

（1） 增強(qiáng)體應(yīng)具有能明顯提高基體某種特性的性能，對(duì)于耐磨鑄鐵復(fù)合材料，增強(qiáng)體應(yīng)具備的最重要特性就是高硬度與抗磨性。

（2） 增強(qiáng)體應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、高熔點(diǎn)等性能，顆粒尺寸大小適當(dāng)。

（3） 增強(qiáng)體與基體之間應(yīng)具有良好的物理和化學(xué)相容性，潤(rùn)濕情況良好或具有良好的界面結(jié)合能力。

（4） 增強(qiáng)體在基體中能夠均勻分布，避免出現(xiàn)漂浮、偏析等問(wèn)題。

（5） 增強(qiáng)體的價(jià)格、來(lái)源、壽命、可靠性等因素也應(yīng)考慮。

筆者給出耐磨鑄鐵基復(fù)合材料中常用的陶瓷增強(qiáng)體材料及其物理性能（見(jiàn)表2）[26]。選擇增強(qiáng)體時(shí)，需綜合考慮增強(qiáng)體材料特性及工件實(shí)際情況，如Al2O3硬度高，抗磨性好，耐氧化，耐高溫，與鋼鐵材料的熱膨脹系數(shù)接近，價(jià)格低，來(lái)源廣泛，但潤(rùn)濕性差，需表面改性處理后才能保證界面緊密結(jié)合，所以單獨(dú)用Al2O3作增強(qiáng)體材料的效果并不理想，需要加入一定量的ZrO2制成多相ZTA 陶瓷增強(qiáng)體后與耐磨鑄鐵復(fù)合使用；又如WC硬度大，耐磨性極強(qiáng)，且具有良好的潤(rùn)濕性，可直接用于耐磨鑄鐵，無(wú)需表面改性，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，但WC 脆性大，密度大，價(jià)格昂貴，并不適用于大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用；而SiC 的導(dǎo)熱性好，彈性模量大，硬度大，價(jià)格低廉，但與高溫鐵液作用時(shí)會(huì)發(fā)生界面反應(yīng)，形成脆性相及片狀石墨，通常僅用于表面強(qiáng)化的耐磨鑄鐵零件。

表2 耐磨鑄鐵復(fù)合材料中常用陶瓷增強(qiáng)體及其物理性能 [27]

選定合適的陶瓷增強(qiáng)體后，如何將兩種材料進(jìn)行復(fù)合則是另一影響耐磨鑄鐵復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素。常用的制備方法大致可分為兩類(lèi)[28]。一是外加法，即把陶瓷增強(qiáng)顆粒加入到金屬熔液中或金屬粉末中，通過(guò)粉末冶金、噴涂、擠壓鑄造、攪拌鑄造、液態(tài)浸滲等方法，制成陶瓷增強(qiáng)耐磨鑄鐵復(fù)合材料；二是原位合成法，利用金屬與金屬之間或金屬與化合物之間發(fā)生放熱反應(yīng)在金屬熔體中產(chǎn)生新的金屬間化合物或陶瓷增強(qiáng)相，其與外加顆粒法的區(qū)別在于增強(qiáng)顆粒不是直接加入，而是在制備過(guò)程中逐漸形成的，包括自蔓延法、直接氧化法、原位噴涂等方法。

這些方法各具優(yōu)勢(shì)[29]，如粉末冶金法的設(shè)備、工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟度高，且成形溫度在液相線下，陶瓷與基體界面基本不會(huì)生成不利于材料性能的金屬化合物，使陶瓷在基體內(nèi)均勻分布，可制備含有高體積分?jǐn)?shù)陶瓷顆粒的復(fù)合材料，缺點(diǎn)是材料的孔隙率高，性能較差，生產(chǎn)效率較低，產(chǎn)品形狀和尺寸也受一定限制；攪拌鑄造法通過(guò)攪拌使得顆粒均勻分散，工藝簡(jiǎn)單，操作難度小，能夠生產(chǎn)大尺寸的耐磨鑄鐵復(fù)合材料，缺點(diǎn)是易引發(fā)氣孔、縮松等缺陷，液態(tài)金屬與陶瓷顆粒發(fā)生界面反應(yīng)會(huì)形成不利于材料性能的物質(zhì)，而潤(rùn)濕性差的陶瓷增強(qiáng)體在凝固時(shí)容易漂浮，使顆粒分布產(chǎn)生差異。

為了提高復(fù)合材料的性能，提高成品率，并降低生產(chǎn)成本，近年來(lái)有科研人員提出一種全新的耐磨鑄鐵復(fù)合材料制造技術(shù)。首先，根據(jù)耐磨工件工作面形狀特征，采用粉末冶金法燒結(jié)出由陶瓷和高合金鑄鐵組成的陶瓷預(yù)制體，然后通過(guò)鑲嵌鑄造手段，在非工作面澆入韌性更好，成本更低的球墨鑄鐵或高鉻鑄鐵，由于陶瓷預(yù)制體內(nèi)含有高合金鑄鐵，陶瓷預(yù)制體和基體的界面之間潤(rùn)濕效果良好，不會(huì)發(fā)生不良界面反應(yīng)。這種技術(shù)工藝靈活，可根據(jù)具體工況設(shè)計(jì)預(yù)制體和基體成分。由于僅在工作面采用復(fù)合材料，有效地解決直接成形中陶瓷漂浮、均勻分布困難等問(wèn)題，生產(chǎn)成本顯著下降，具有較大的利潤(rùn)空間。

4 耐磨鑄鐵基復(fù)合材料的推廣與應(yīng)用

基于耐磨鑄鐵基復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀及市場(chǎng)需求，天津研發(fā)中心聯(lián)合東北大學(xué)以建材行業(yè)立磨輥套為突破點(diǎn)，成功試制耐磨鑄鐵基復(fù)合材料磨輥輥套（見(jiàn)圖1）。

圖1 耐磨鑄鐵基復(fù)合材料立磨輥套產(chǎn)品

該輥套的陶瓷預(yù)制體采用ZTA 陶瓷顆粒與高合金耐磨鑄鐵燒結(jié)而成，基體材質(zhì)采用高鉻鑄鐵，通過(guò)鑲嵌鑄造得到最終的產(chǎn)品，輥套外徑?1 900 mm，鑄件重量5.2 t。

該新型復(fù)合材料輥套在山西侯馬市匯豐建材有限責(zé)任公司的HRM3400E 生料立磨上機(jī)試驗(yàn)。生料物料成分為，石灰石74%、爐渣6%、鎂渣10%、鋼渣2%、砂巖8%；經(jīng)過(guò)138 天，2 522 h的滿負(fù)荷運(yùn)行，輥套最大磨損深度僅50 mm，平均磨損速率約為0.02 mm/h，而高鉻鑄鐵輥套磨損速率約為0.041～0.044 mm/h，耐磨鑄鐵復(fù)合材料輥套的磨損速率僅為高鉻鑄鐵的1/2（見(jiàn)表3）。

表3 耐磨復(fù)合材料輥套運(yùn)行數(shù)據(jù)測(cè)量

因物料在粉碎過(guò)程中磨損強(qiáng)烈，高鉻鑄鐵輥套在使用中出現(xiàn)較深的犁溝和波紋等傷痕，造成磨機(jī)產(chǎn)量下降，振動(dòng)增大，單耗增加等問(wèn)題。因此，該高鉻鑄鐵輥套在使用1 300 h 后必須翻面使用，而陶瓷增強(qiáng)耐磨鑄鐵復(fù)合材料輥套（見(jiàn)圖2），使用2 500 h 后單面僅磨損50 mm。

圖2 耐磨鑄鐵基復(fù)合材料輥套卸裝后效果

通常立磨輥套更換或換面需磨損至65 mm 深，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)耐磨復(fù)合材質(zhì)輥套仍可繼續(xù)運(yùn)行800～900 h?？梢?jiàn)耐磨鑄鐵基復(fù)合材料輥套的單面使用壽命超過(guò)高鉻鑄鐵輥套，整體壽命可達(dá)到高鉻鑄鐵的2 倍以上，實(shí)現(xiàn)降低單耗、提高磨損效率和產(chǎn)量的目的。

5 結(jié) 語(yǔ)

這項(xiàng)新技術(shù)的突破，打破比利時(shí)馬科托、印度VEGA 等公司的壟斷，實(shí)現(xiàn)陶瓷增強(qiáng)耐磨鑄鐵復(fù)合材料輥套產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化。

筆者認(rèn)為，今后應(yīng)進(jìn)一步深化耐磨材料的系統(tǒng)研究，加快陶瓷增強(qiáng)耐磨鑄鐵復(fù)合材料的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。