铸造耐磨材料的研究应用现状及发展趋势

铸造耐磨材料的研究应用现状及发展趋势

王恩禄  王彤博  李春娟

大唐黑龙江新能源开发有限公司吉成风电场

摘要：耐磨材料在工业生产中有着重要的用途，但由于摩擦而导致的能耗、物料损耗等严重影响了人们的生活质量。文章概述了当前国内对铸造耐磨材料及热处理过程中存在的一些主要问题，对国内目前国内外在这方面的研究状况进行了较为全面的总结，并对今后的发展趋势进行了展望。

关键词：铸造；发展趋势；耐磨材料；应用现状

根据不完全的数据，目前在全球主要工业国家中，大约有30%的能耗是以各种方式消耗的。以美国为例，一年因摩擦而导致的损耗大约为一千亿美金，相当于整个国家经济总量的4%。仅在冶金、电力、农机等行业，由于零件的损耗，每年约有400多亿，而且还在以5-10%的速度增长。耐磨材料的发展已成为影响现代生产效率的重要因素，其性能的提高已经成为当今工业中一个非常关键的问题。重点阐述了当前国内对铸造耐磨材料的研究现状，并对今后的发展动向进行了展望。

一、铸造耐磨合金铸铁

1.铸造白口铸铁

低铬合金白口铸铁是耐磨白口铸铁之一，一般情况下，在常规白口铸铁中添加1-5%的Cr，含碳量为2.2%-2.8%。低铬白口铸铁的显微结构是珠光体+碳化物（Fe、Cr)3C，或者是回火马氏体+维氏硬度范围在HV1000-1300范围内的碳化物。当前，我国对低铬型白口铸铁的研究多采用合金化、变质处理及热处理技术等手段，以期达到细化微观结构、改善碳化物形貌及分布、消除网络状碳化物及铸件内压等目的，从而提升其机械、抗磨损能力。

2.耐磨球墨铸铁

耐磨球墨铸铁是一种适用于电厂、矿山等行业的可磨耗零件，适用于电厂、矿山等行业。传统的热处理工艺是通过调质+冷调或等温处理，得到马氏体+球状石墨+微量残留奥氏体+微量碳化物或者贝氏体+碳化物的复合结构。其硬度高于HRC54，冲击韧度为8-30焦耳/cm2，广泛应用于球磨机磨球、护罩、齿轮等领域。目前，我国已对其成分、结构、机械性能和磨损性能进行了系统的研究，并对其在矿山、电力和水泥等工业中的使用情况进行了初步的研究，并获得了较好的结果。

二、铸造耐磨复合材料

1.双金属复合材料

由两种不同成份的合金经复合浇铸而成，具有优异的综合性能，能够满足高硬度、高耐磨、高强度高韧性的特点，主要适用于具有高耐磨及高冲击负荷之耐磨零件之使用，可提升设备之效能与寿命。固-液复合法和液-液复合法是合成双金属复合材料的重要方法。铸造成形是其制造的核心，而实现界面结合良好且无铸造缺陷的双金属界面是其在使用过程中面临的最大难题。目前应用的双金属复合材料主要由碳钢（或低合金钢）和高铬铸铁复合而成，其界面结合状态、界面反应规律、界面结构、耐磨层厚度、加工方法等因素对界面结构与力学行为的影响规律等关键科学问题开展深入研究。

2.铸造表面复合材料

表面复合材料实质上是采用铸渗法或离心法在零件表层制备具有抗磨损性能的复合涂层，而铸渗处理则是在铸渗过程中对其进行有效控制。铸造表面铸渗层一般由铬铁粉、钼粉、碳化钨等按照一定的比率进行配比，再添加一种溶剂和粘合剂，将其搅拌制成一种铸造渗合金涂层，再将其喷涂到需要进行复合的部分上，干燥之后，再将其注入到该铸造材料中，再将其注入到该铸渗构件中，形成一种可磨损的合金层，其母材一般为碳钢、低合金钢或奥氏体锰钢等。某学院研制的铸渗-渗法在热连轧机组导卫板零件上得到了较好的应用，在导卫板的磨损处浇注渗镀层达到5-8mm，显著延长了导卫板的使用寿命，产生了较好的经济效果。通过浇注工艺，可以在中锰钢铸渗过程中得到厚度为7.22mm、硬度达到HV897、磨损性能为中锰钢基体的5.41倍的铸渗强化。由于TiC具有很高的抗磨损性能，因此经常用作抗耐磨材料的强化相以改善材料的抗磨损性能。

三、铸造耐磨材料的发展方向

1.洁净化处理

耐磨材料在冶炼时，其熔液品质对制品的使用效果有很大的影响，但却常常被厂家所忽视。已知，在耐磨材料中存在着大量的气态和有害成分，它们对耐磨材料的使用性能有着很大的影响。针对奥氏体锰钢、合金耐磨钢及耐磨铸铁等耐磨合金熔体的成分进行调控，可以显著改善耐磨合金的性能，为此，通过冶炼+精炼、电渣熔铸等技术来减少合金熔体中的气态和有害成分，从而改善耐磨合金的机械性能、耐磨性能及使用寿命。

2.新材料新工艺

耐磨材料的微观结构不仅直接关系到其性能和制品的品质，而且还直接关系到其使用年限。耐磨材料微观结构中各组分的大小、形貌及分布状况对其机械性能、磨损性能及使用寿命有着重要的影响。通过多元合金化+复合改性，可以使各组元的强韧化和改性效应得到最大程度地发挥，从而达到对抗磨合金微观结构的最大改善，因此，优化夹杂、碳化物的形貌与分布，对提升耐磨材料的抗磨损能力、延长其使用寿命具有重要意义。通过研究适合于各种工作环境及产品的耐磨材料，结合现代的浇注技术及最佳的表面改性技术，可以提高耐磨材料的微观结构，减少铸件质量，增加制品的耐磨损性，延长其使用寿命。高强度高韧性基体、高硬度多尺度协调的高韧性抗磨相组分及其与基体的有效匹配是实现高性能抗磨合金的重要前提。

3.局部复合和原位自生复合

通过对众多铸件耐磨材料制品的失效情况进行研究，发现其主要原因是制品的局部磨损，所以，对其进行局部复配，可以达到节省用料、减少制造费用的目的。采用局部镶铸、局部铸渗等方法，通过局部复配，既提高制品的抗磨损部位，又提高其在负载部位的强度和耐磨性，达到了最佳的结合，满足工作环境对高强度和高耐磨性的要求。

结论：在高速、高温、重载等苛刻条件下，对耐磨材料的综合性能提出了更高的需求，洁净化、合金化、多功能化、局部复合和强韧性相结合是其发展的必然趋势。跨尺度协同、结构化设计、跨尺度复合、界面设计与调控是今后高性能铸造用抗磨复合材料发展的重要方向。

参考文献

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[5]卢静,欧阳航,李勇,闵小兵,罗丰华.国内外耐磨材料与技术的研究及其发展现状[J].材料科学,2018,8(9):928-938.

作者简介

姓名：王恩禄（1972）男 黑龙江佳木斯人   154002 佳木斯大学  本科  副高职 

研究方向：铸造

第二作者

姓名：王彤博（2000）男 黑龙江佳木斯人  本科  助理工程师

邮编  154002 大唐黑龙江新能源开发有限公司吉成风电场

研究方向：风电运维

第三作者

姓名：李春娟（2000）女 黑龙江佳木斯人  邮编  154002

佳木斯大学 本科  助理工程师

研究方向：机械设计制造及自动化