钢铁耐磨材料成型加工技术研究

熊慎凯

（新余钢铁股份有限公司，江西 新余 338000）

钢铁耐磨材料通常是以合金的形式存在，将多个金属材料融合铸造而成，这种材料相比于钢铁材料具有较高的耐磨性能，其是一类具有特殊声、电、光、磁、力以及化学功能的新型钢铁材料，被广泛应用在医学技术、航天技术、生物技术等高科技领域以及建筑领域。钢铁耐磨材料作为新材料领域中的核心内容，由于其具有良好的应用性能，钢铁耐磨材料已经成为全球新材料领域中重点研究对象[1]。由于钢铁耐磨材料铸造原料不同，可以将钢铁耐磨材料分为耐磨合金钢系、复合合金钢系、硬质合金钢系、高猛合金钢系以及抗磨铬铸铁系五个系列，目前国内外钢铁耐磨材料仍是以抗磨铬铸铁系为主，抗磨铬铸铁系组织结构以铁、铬型碳化物，这种组织结构的材料通常硬度偏高，能有效抵抗外界因素对材料的磨损，相比于其他系列的钢铁耐磨材料具有更好的优势，但是抗磨铬铸铁系的耐磨材料成形加工过程复杂，成本较高，对于原料的选材和整体结构设计要求较高，并且其虽具有良好的硬度和耐磨性能，但是其断裂韧性较差，并且钢铁耐磨材料的堆积孔隙率较高，传统技术已经无法满足钢铁耐磨材料铸造要求，因此提出钢铁耐磨材料成型加工技术研究。此次借鉴国内外该方面研究资料，在原有技术基础上进行改良和创新，研究出一种新的钢铁耐磨材料成型加工技术，为钢铁耐磨材料的成形加工提供理论依据。

1 钢铁耐磨材料成型加工技术设计

1.1 钢铁耐磨基体材料的选材

钢铁耐磨基体材料是铸件表层复合材料的主要组成部分，其主要作用是增加铸件的耐磨性能，以及固定增强铸件表面支撑和传递荷载。钢铁耐磨基体材料的选材不同，会影响到铸件本身的基本力学性能，比如韧性、强度、耐磨、耐腐蚀以及硬度，并且对铸件表层的保护和支持作用也是不同的[2]。考虑到基体材料本身需要具有良好的韧性、高温流动性能、耐磨性能，此次综合多方面对比选择高铬铸铁作为钢铁耐磨基体材料，由于高铬铸铁的共晶结晶与普通铸铁材料不同，其具有较高的铬含量和铁含量，使其共晶结晶的固液相界面呈不规则形态，结晶区域较为宽阔，共晶结晶为断续的块状，而普通铸铁材料的共晶结晶为板片状结构，这就导致高铬铸铁无论是力学性能还是耐磨性能都要优于普通铸铁材料。此外高铬铸铁具有良好的高温流动性，这为后期铸造过程中可获得更深的铸渗深度，下表为钢铁耐磨基体材料选材成分表。

表1 钢铁耐磨基体材料选材成分表（wt%）

1.2 预制体整体结构设计及制备

确定好基体材料后需要对铸件的预制体结构进行合理设计，并且对其进行制备，预制体其实就是用于钢铁耐磨材料成形加工的模具，根据铸件外形要求进行仿形设计相应的预制体。此次根据钢铁耐磨材料成形加工需求，将预制体外形设计成蜂窝状，在后期基体材料液体浇筑过程中，材料液体可以从多个方向进入到蜂窝状的圆柱形孔中，提高材料铸渗效果，为了能够获得理想的复合层，此次设计的预制体厚度为25mm，这个厚度是经过多方试验研究证明的，当预制体厚度为25mm时，钢铁耐磨材料的整体韧性可以有所提高，并且还可以有效的避免浇筑过程中，表层基体材料因受到较高的冲击荷载而出现整体脱落现象，此次设计的预制体整体为25×25×150mm³实心长条状。

预制体的制备过程如下：首先选择一种与基体材料润湿性较好的基合金，并对其进行镀镍处理，镀镍处理目的是改善基体材料与合金湿润性[3]。然后利用高温粘结剂将镀镍处理后的基合金混合填充到具有一定型腔的模具中，最后经过固化形成一个完整的预制块体，以此完成了预制体整体结构设计及制备。

1.3 钢铁耐磨材料熔炼及浇筑

设计并制备好预制体后，将之前选好的基体材料放入到中频感应电炉进行熔炼，将材料熔炼成金属液体，在熔炼过程中需要时刻注意高铬铸铁中各个金属元素的比例以及含量变化情况，并且要严格控制金属液体中Fe、Cr、C的含量，铁和铬的含量能够提高钢铁耐磨材料的力学性能，而碳元素的含量会增强钢铁耐磨材料的耐磨性能。所以为了保证成形加工后得到的钢铁耐磨材料的硬度、韧性和耐磨性能，在熔炼过程中Fe的含量不得低于14.55wt%，而Cr的含量要控制在16.45-17.55 wt%之间，C的含量要控制在2.95-3.05 wt%之间。将中频感应电炉的熔炼时间设定在15min，熔炼温度设定在1250-1350℃之间，在对高铬铸铁进行熔炼之前需要对中频感应电炉进行预热10min，使炉内的温度和环境达到高铬铸铁熔炼要求。

将熔炼后得到的合金液体浇筑到之前制备好的预制体中，由于合金液体在预制体浇筑过程中会产生“冷铁”效应，这种“冷铁”效应会加速液体的凝固，可能会导致钢铁耐磨材料铸渗不完全，所以在浇筑过程中要根据温度要比预先设计的浇筑温度高出100-150℃，这样可以增加合金液体的保温时间，使合金液体具有充足的热容量，实现钢铁耐磨材料铸渗完全。但是由于过高的浇筑温度不仅会对钢铁耐磨材料各个性能产生影响，还会在浇筑过程中产生粘砂、飞边等现象，所以从多方面考虑，最终的浇筑温度为1450-1530℃。在浇筑过程中不仅要控制好浇筑温度，还要对铸渗深度进行严格把控，金属液体的铸渗深度过高和过浅都会影响到钢铁耐磨材料最终成形加工效果，之前设计的预制体厚度为25mm，但是由于合金液体在预制体蜂窝状圆柱形孔中烧结过程会产生闭孔，使合金液体浇筑过程中铸渗深度并不能完全达到25mm，为了保证加工质量，合金液体的铸渗深度至少要控制在20mm-23mm之间，在浇筑5min后，将预制体长条方向正中间敲断，这样可以避免基体材料的再次融化，以此完成钢铁耐磨材料的熔炼和浇筑。

1.4 钢铁耐磨材料固定成形

待合金液体浇筑完成之后，将预制体放入到冷水中进行固定成形。由于预制体进入到冷水中，预制体中的合金成分预冷发生收缩变化，此时铸件内部会产生大量气泡，这种气泡会使钢铁耐磨材料表层和结构内部出现空隙，如果空隙过多会影响到钢铁耐磨材料的金属性能和力学性能，其中包括韧性、硬度、强度、耐磨性等，所以此次将钢铁耐磨材料固定成形分成三个阶段完成。首先将预制体放入到温度为35-55℃温水中进行初次冷却，冷却时间为15min，预制体的热度会传递到温水中，当水温达到500-550℃时将预制体从水中取出。然后再将预制体放入到0-10℃的水中，继续对预制体进行冷却，预制体中合金开始凝固，温度降低，热量散失，此时气膜厚度开始减小以致破裂，当耐磨铸件温度冷却到150℃时将预制体从水中取出。最后再将预制体放入到-100℃左右的冷水中进行最终固定阶段，此时耐磨铸件冷却温度开始变慢，冷却时间为30min，在该阶段中需要对预制体在水中上、下、左、右摆动，使钢铁耐磨材料固定成形，30min后将预制体从水中取出，敲碎预制体即可得到钢铁耐磨材料，以此完成了钢铁耐磨材料成形加工。

2 实验

钢铁耐磨材料成形加工技术是否成功，其主要取决于技术加工后钢铁耐磨材料堆积孔隙率是否满足要求，一个合格的钢铁耐磨材料堆积孔隙率不得高于3.5%，堆积孔隙率过高说明该耐磨材料硬度、韧性以及耐磨性能较差，其计算公式如下:

公式（1）中，P 为钢铁耐磨材料的堆积孔隙率；V 为钢铁耐磨材料实体体积，单位为cm³；V堆为钢铁耐磨材料的堆积密度，单位为g.ml。此次实验以钢铁耐磨材料作为实验对象，利用此次设计技术与传统技术对钢铁耐磨材料进行成形加工，实验中共对两种技术进行五次实验，使用到的加工设备有型号为KIB-006的中频感应电炉，对比两种技术应用下，钢铁耐磨材料的堆积孔隙率，实验结果如下图所示。

图1 堆积孔隙率对比图

从上图可以看出，应用此次设计的技术加工的钢铁耐磨材料堆积孔隙度低于传统技术，且满足钢铁耐磨材料堆积孔隙率规定标准，证明了此次设计的技术可以满足钢铁耐磨材料成形加工要求。

3 结语

此次对钢铁耐磨材料成形加工技术进行了研究，在不改变钢铁耐磨材料基本性能的基础上，提高材料的耐消耗磨损性能，有助于提高材料的使用寿命，提高钢铁耐磨材料的利用率，此次研究对挖掘钢铁耐磨材料的性能潜力具有重要现实意义，同时对钢铁耐磨材料成形加工具有重要借鉴意义。由于此次研究时间及个人能力有限，虽然在该方面取得了一定的研究成果，但还存在一些不足之处，今后还需在该方面进行深入研究，促进钢铁耐磨材料成形加工技术应用与推广。