钢铁耐磨材料成型加工技术研究

2021-11-24

商品与质量 2021年6期

徐州徐工矿业机械有限公司江苏徐州 221000

1 钢铁耐磨材料成型加工技术研究背景

近代钢铁材料是伴随第一次工业革命发展起来的，由于机器设备的发展需要高性能的钢铁材料，出现了针对不同应用领域的多种类型的钢铁材料，钢铁耐磨材料就是其中的一类。

由于铸造原料不同，可以将钢铁耐磨材料分为耐磨合金钢系、复合或梯度材料及硬质合金材料系、奥贝球铁系、高锰合金钢系以及抗磨铬铸铁系五个系列，目前国内外仍是以抗磨铬铸铁系为主。虽然各类钢铁耐磨材料有较好的耐磨性，但是目前传统的加工过程常存在加工出来的材料孔隙率较高，强度低、断裂韧性较差等问题，因此提出钢铁耐磨材料成型加工技术研究。

2 钢铁耐磨材料成型加工技术研究过程

2.1 钢铁耐磨基体材料的选材

基体材料的选材不同，会影响到铸件本身的基本力学性能，比如强度、硬度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性等，对铸件表层的保护和支持作用也会有所不同。作为基体材料，本身需具有良好的韧性、高温流动性、耐磨性。由于高铬铸铁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。相对于普通铸铁材料板片状结构的共晶结晶，高铬铸铁无论是力学性能还是耐磨性能都更优化。所以综合多方面对比最终选择高铬铸铁作为钢铁耐磨基体材料进行后续的研究[1]。

2.2 预制体整体结构设计及制备

确定好基体材料后，需要根据铸件外形要求对铸件的预制体结构进行合理设计并制备。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。经过多方试验研究证明，当预制体厚度为25mm 时，钢铁耐磨材料的整体韧性有所提高，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，获得理想的复合层，所以此次设计的预制体整体为25×25×150mm3 实心长条状。

2.3 钢铁耐磨材料熔炼及浇筑

设计并制备好相应预制体后，将高铬铸铁基体材料放入到中频感应电炉中进行熔炼，熔炼温度设定在1250-1350℃之间。由于不同元素对钢铁耐磨材料的影响不尽相同，如铁和铬的含量能够提高钢铁耐磨材料的力学性能，碳元素的含量会增强钢铁耐磨材料的耐磨性能，所以在熔炼过程中需要时刻注意高铬铸铁中各个元素的比例以及含量变化情况，特别要严格控制金属液体中Fe、Cr、C的含量[2]。

将熔炼后得到的合金液体浇筑到之前制备好的预制体中，浇筑温度为1450-1530℃，铸渗厚度控制在20mm-25mm 之间。由于合金液体在预制体浇筑过程中会产生“冷铁”效应，加速液体的凝固，从而导致钢铁耐磨材料铸渗不完全，所以在浇筑过程中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。

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[3]。

2.4 钢铁耐磨材料固定成形

合金液体浇筑完成之后，将预制体放入冷水中进行降温，使其固定成形。由于预制体进入到冷水中，预制体中的合金成分遇冷发生收缩变化，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，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，当水温达到50-55℃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0℃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，完成钢铁耐磨材料成形加工。