耐磨材料产业技术现状及趋势分析

1.铸造耐磨材料

(1)奥氏体锰钢 目前国内外生产和应用的奥氏体锰钢仍以Mn13系列为主,其中在日本等一些国家比较推崇屈服强度和耐磨性较高的Mn13Cr2耐磨钢。奥氏体锰钢以高韧性、易加工硬化和一定强度著称,迄今在大冲击载荷磨料磨损工况,如圆锥式破碎机轧臼壁和破碎壁、旋回式破碎机衬板、大中型颚式破碎机颚板、大型锤式破碎机锤头,以及大中型湿式矿山球磨机衬板仍主要选用奥氏体锰钢。奥氏体锰钢的成熟体现在标准化上,在主要工业发达国家均有了国家标准(或相当于国家标准的标准),并于1999年制定了奥氏体锰钢铸件国际标准(ISO 13521:1999)。我国制定了奥氏体锰钢铸件国家标准(GB/T 5680—2010)和铸造高锰钢金相国家标准(GB/T 13925—2010),特别是在我国奥氏体锰钢铸件国家标准中规定了不含Mo、Ni的ZG120Mn13的冲击吸收能量KU₂≥118J,以体现高锰钢的高韧性特点。

近年来,奥氏体锰钢的技术进步主要表现在生产过程中严格控制影响性能的Si和P含量,特别是磷含量的限制,某些出口锰钢件已要求w(P)≤0.04%；另外,为减少铸造高锰钢的夹渣、柱状晶和晶粒粗大现象,v、Ti、Nb和RE等微量元素常被加入高锰钢；常被称为超高锰钢的Mn17(Mn18)和Mn25等高锰钢得到生产和应用,其中标准碳含量的ZG120Mn17还被列入了奥氏体锰钢铸件国际标准和我国国家标准。超高锰钢有利于解决厚大断面锰钢水韧处理后内部易出现碳化物而降低韧性的问题,也利于解决锰钢件低温工况使用可能脆断的问题。但在大冲击载荷磨料磨损工况下,超高锰钢的耐磨性和性价比,以及相关的Mn、C和Mn/C选择等关键问题,还有待深入研究和不同工况广泛应用实践的验证。在不降低冲击韧性的情况下,提高耐磨性是奥氏体锰钢发展的一个重要方向。

我国部分高锰钢生产企业现存在生产技术措施不到位的问题,突出表现在高锰钢的冲击吸收能量达不到国家标准的要求,以至于某些铸件在使用中开裂。这是应该引起企业足够重视的重要问题,实际上这是我国部分高锰钢件与工业发达国家所生产高锰钢件的主要差距。

奥氏体锰钢铸件典型牌号是ZG120Mn7Mo1、ZG110Mn13Mo1、ZG100 Mn13、ZG120 Mn13、ZG120 Mn13 Cr2、ZG120 Mn13 W1、ZG120Mn13Ni3、ZG90Mn14Mo1、ZG120Mn17、ZG120Mn17Cr2,详见GB/T 5680—2010《奥氏体锰钢铸件》和GB/T 5680—2010《铸造高锰钢金相》。

(2)耐磨损白口铸铁 耐磨损白口铸铁亦称抗磨损白口铸铁。铬系白口铸铁目前仍是国内外耐磨铸铁的主流,Cr15、Cr20和Cr26系列高铬耐磨铸铁在美国、日本和我国均已大批量生产和应用。我国在高铬铸铁基础上又研发了中铬硅耐磨铸铁和适于铸态应用的低铬耐磨铸铁,并已批量生产和工业应用。

近年来,为解决冲蚀磨损工况零部件的耐磨性问题,提高高铬铸铁硬度成为一个发展方向。工业生产和应用实践表明,耐磨铸铁的硬度达到60HRC是一个较高的级别,而达到63HRC是更高的一个级别,它预示着材料耐磨性显著提高。在对63HRC级耐磨铸铁的技术攻关中,石家庄强大泵业集团公司研究开发出了高碳超高铬过共晶白口铸铁,借助于高体积分数和高硬度的碳化物,铸铁热处理后硬度达到63768HRC,冲击韧度达到475.5J/cm²(20mm×20mm×110mm无缺口试样),性能与澳大利亚沃曼公司制造的A217高碳高铬白口铸铁(C的质量分数为5.0%,Cr的质量分数为35%)相当。工艺上着重解决了缩松和热裂问题,用该铸铁生产出6/4E-AH和8/6E-AH渣浆泵过流件,在广西车河选矿厂工业试验,4in(1in=25.4mm)泵前护板使用时间432h以上,明显高于对比的BTMCr26铸铁前护板(120h)。另一项技术是广州有色金属研究院和暨南大学通过C-Cr-Mo-W的合金化,发挥W和Mo强碳化物形成元素的作用,提高Cr26高铬铸铁的铬当量和铬碳比,进而提高铸铁的碳化物体积分数和M₇C₃的硬度,使淬火、回火后280Cr25MoW3铸铁的硬度达到63HRC,240Cr25Mo2W3铸铁的硬度达到63.5HRC,280Cr25Mo2W3铸铁的硬度达到65HRC,在低角度盐水砂浆冲刷腐蚀试验中表现出了优异的耐磨蚀性能。

高钒耐磨白口铸铁(有些文献中亦称高钒高速钢)是近年来国内若干水泥厂应用较好的一种耐磨材料。高钒耐磨白口铸铁的化学成分(质量分数,%)为:C2.0%～4.0%,v8.0%～15%,Cr2.0%～8.0%,Mo1.0%～5.0%,其主要碳化物为MC型(硬度为2600Hv左右),碳化物呈球状或近球状,碳化物显微硬度高且对金属基体的割裂小,使淬火、回火后的铸铁硬度达60765HRC,冲击韧度为6712J/cm²(20mm×20mm×110mm无缺口试样,跨距70mm)。

耐磨铸铁材料的研究开发明显影响着耐磨件的选材和生产,以下几个方面的试制和应用是有益的,也是这一领域的几个发展方向。

1)以减少Mo、Ni、Cu等贵重合金元素从而降低生产成本为目的的合金元素优化工作。原标准体系中有些耐磨合金铸铁在合金元素配置上是一范围,对某些“过剩”的合金元素再优化和细化是必要和可行的。

2)以提高C、Me(合金元素)含量为手段,获得高硬度过共晶铸铁,可提高铸铁的抗磨损能力和抗冲刷腐蚀(以磨损为主的冲刷腐蚀)能力,但不要忽视材料的脆性问题。

3)以降低C含量为手段获得较好韧性的亚共晶铸铁,如亚共晶高铬铸铁,可提高铸铁的抗冲击能力和抗氧化磨损能力,但不要忽略离异共晶可能给某些亚共晶白口铸铁带来的韧性下降的问题。

耐磨白口铸铁件典型牌号是BTMNi4Cr2-DT、BTMNi4Cr2-GT、BTMCr9Ni5、BTMCr2、BTMCr8、BTMCr12-DT、BTMCr12-GT、BTM-Cr15、BTMCr20、BTMCr26,详见GB/T 5680—2010《抗磨白口铸铁件》。

(3)非锰系耐磨损合金钢 近些年来非锰系耐磨合金钢的成果之一是冶金矿山湿式球磨机衬板材料的研发和应用。合肥工业大学、合肥水泥研究设计院和宁国耐磨材料总厂合作研制了一种低碳高合金铸钢衬板,其化学成分(质量分数,%)为:C0.16%～0.28%,Cr7.0%～10%,Ni1.5%～2.2%,Mo0.5%～0.8%。衬板淬火、回火后硬度为45752HRC,冲击韧度a_KN(无缺口)≥50J/cm²,在铁矿球磨机上工业试验,取得了较好的应用效果。针对氧化铝厂的铝矿湿式球磨机衬板,广州有色金属研究院和暨南大学开展了研制工作,就这一热强碱性铝矿浆(≥80℃,pH≥14)工况,首先从应用基础研究开始,研究发现工况下高锰钢有明显的碱脆开裂(应力腐蚀开裂)现象,高锰钢的腐蚀和碱裂现象均比铬合金钢严重,指出高锰钢衬板不适于这一工况。之后系统研究了合金元素Cr对钢在热强碱性条件下腐蚀、冲击磨损及冲击腐蚀磨损的影响,研制出了Cr含量较低的多元低合金马氏体铸钢衬板,并实现了工业生产和应用。

非锰系耐磨合金钢特别是中碳中、低合金钢的一发展方向是提高钢的强度、硬度和韧性配合,以全面提高钢的抗冲击和耐磨损能力。继前些年国内外将C的质量分数为0.30%的多元低合金耐磨铸钢的硬度提高到52HRC级之后,近年在中碳低合金铸钢的高强度、高硬度和高韧性研发上又有新进展,如硬度达50HRC的钢,a_Kn达到200J/cm²；硬度达55HRC的钢,a_Kn达到100J/cm²。这体现出了较高的硬韧性配合。就中碳低合金铸钢而言,努力争取钢的硬韧性配合满足下列两式:

HRC=50+2.5X

a_Kn=200-50X式中,X可取-1,0,1,2,3。

若满足以上两式,则中碳低合金铸钢可进一步扩大应用范围,提高使用寿命并创造出显著的经济效益。

非锰系耐磨钢铸件典型牌号是ZG30Mn2Si、ZG30Mn2SiCr、ZG30CrMnSiMo、ZG30CrNiMo、ZG40CrNiMo、ZG42Cr2Si2MnMo、ZG45Cr2Mo、ZG30Cr5Mo、ZG40Cr5Mo、ZG50Cr5Mo、ZG60Cr5Mo,详见GB/T 26651—2011《耐磨钢铸件》。

(4)耐磨损球墨铸铁 通过液淬热处理生产出高硬度和一定韧性的马氏体耐磨球墨铸铁,通过Mn等合金化与液淬热处理制造出硬韧性配合较好的贝氏体-马氏体耐磨球墨铸铁。这两类耐磨球墨铸铁在国内已用于球磨机衬板和磨球的工业化生产。等温淬火球墨铸铁(ADI)具有高强度、一定韧性和良好加工硬化特性,在国内外已用于齿轮、凸轮轴、汽车牵引钩等易磨损件。等温淬火含碳化物球墨铸铁(CADI)具有较高硬度、一定韧性和良好加工硬化特性,目前正试用于球磨机磨球。

耐磨球墨铸铁磨球典型牌号是ZQQTB和ZQQTM,详见GB/T17445—2009《铸造磨球》。

(5)耐磨损钢铁复合材料 钢铁基耐磨复合材料是近些年国内外耐磨材料研究开发的热点之一,在一些严酷的磨损工况得到了工业应用。比利时MAGOTTEAUX公司研制出了“Bimetal”钢铁双金属复合技术,耐磨层是硬度>61HRC的高铬铸铁,其他部位是a_Kn>245J/cm²的低碳合金钢；开发出了“Duocast”复合技术,将高硬度高铬铁镶嵌在球墨铸铁中,生产出大型立磨的磨辊；研发了“Xwin”技术,在立磨高铬合金磨盘(磨辊)表层镶嵌高硬异质颗粒。新的技术是将“Duocast”和“Xwin”复合技术再组合用于立磨磨辊。

我国耐磨复合材料经历了双液双金属材料、高铬铸铁—钢镶铸材料、高铬铸铁—钢机械组合材料等几个阶段后,近年以复合大锤头(≥90kg)为标志的高锰钢镶铸硬质合金(或耐磨铸铁)复合材料实现了工业化生产和应用,复合大锤头寿命比原用普通高锰钢锤头提高了30%～100%。

陶瓷颗粒增强钢铁基耐磨复合材料是近年国内外研究开发的热点之一。考虑到生产成本和应用实际,这类复合材料大多被制备成表层硬化的表面复合材料。近些年在应用基础研究方面,针对WC、TiC、Al₂O₃、SiC等陶瓷颗粒特性,与钢铁(液)冶金结合效果,表面复合材料技术工艺参数等方面的工作取得系列成果,在此基础上开发出了多种钢铁基表面复合材料。鉴于强烈滑动(滚动)摩擦磨损,特别是磨料磨损工况,要求易损件耐磨复合层须有一定厚度,显然在这一工况领域用铸渗技术(重力、压力、离心力、负压条件下)得到表面复合材料较有前途。其中,WC等陶瓷颗粒增强钢铁基表面复合材料轧钢导卫板和溜槽衬板已实现工业化生产和应用。关于铸渗表面复合材料,减少或不用粘结剂等添加剂得到冶金结合和致密的表面复合层是关键技术之一,提高复合层致密度和增加复合层厚度(>10mm)是努力的方向,而由单一平面表层铸渗技术发展出弧面等复杂面表层铸渗技术是该领域的研发重点和难点。

耐磨损复合材料铸件典型牌号是ZF-1(镶铸合金复合材料Ⅰ铸件)、ZF-2(镶铸合金复合材料Ⅱ铸件)、ZF-3(双液铸造双金属复合材料铸件)、ZF-4(铸渗合金复合材料铸件),详见GB/T 26652—2011《耐磨损复合材料铸件》。

2.钢铁耐磨材料工艺技术

铸造磨球因尺寸规格整齐和批量大而成为机械化和自动化生产线首选的耐磨件。近年来,国内一些较大的专业磨球厂相继新建或改造了磨球和磨段机械化和自动化生产线,金属型覆砂、Disa、EPC、覆膜砂等磨球生产线提高了磨球和磨段生产效率和内外质量。

vRH法、v法和EPC生产线在衬板等其他耐磨件生产中亦有较好的应用。对磨球和磨段之外的大多数耐磨件而言,手工辅助机械造型成为主要生产方式,国内用得较多的是水玻璃砂。继山西长锋公司之后,国内又有一些企业新建了耐磨件树脂砂生产线,使耐磨件内外质量有较明显的提高。其中,CO₂硬化树脂投放国内市场之后,耐磨件生产企业又多了一个降低成本的树脂砂生产方式,即分层选用树脂砂和水玻璃砂,再用CO₂一次整体硬化的生产方法。

除了水玻璃砂和树脂砂生产方式,在各种耐磨件铸造生产中采用金属型或覆砂金属型激冷的方法,是提高耐磨件质量较好的方式之一,因为这有助于细晶强化,有助于提高耐磨件的硬度、强韧性和耐磨性。

钢铁液熔炼、精炼和过滤技术是耐磨件生产关键技术,也是我国耐磨材料生产技术与工业发达国家的主要差距之一。感应熔炼炉电耗较少和生产效率较高,但脱磷和脱硫效果比电弧炉差,因而感应炉造渣、聚渣和扒渣工艺就显得极为重要。AOD等精炼炉在国内耐磨件铸造厂还很少有应用,简易方法的钢铁液吹氩处理有一定成效但也用之甚少。陶瓷网(砖)过滤技术是成熟的铸造技术,也是熔炼后净化钢铁液的补救和保证措施,但国内绝大多数企业尚未采用过滤技术。

钢铁液炉前孕育与变质处理技术是有我国特色的工艺技术,是提高钢铁液质量的有力措施之一,它在一定程度上能够弥补熔炼钢铁液过程中的不足。过去的20余年国内就此开展了大量的研发工作,具有较坚实的理论基础和应用实践经验。可是许多企业仍存在孕育变质剂选用失误、用量不准和操作不当几个突出问题,未能实现孕育变质处理的初衷。我国是稀土资源和生产大国。过去一个时期,轻稀土孕育变质剂在耐磨钢铁件生产中得到较广泛的应用；而近年来,钇基重稀土复合孕育变质剂在耐磨高铬铸铁生产中也取得了较好的应用效果。

热处理是耐磨钢铁件提高硬度和韧性,减少或消除应力的主要工艺手段。近年来,在耐磨钢铁件热处理方面有两个明显的进步:一是多品种淬火冷却介质的研发和选用,提高了高铬铸铁和合金钢的淬火冷却速度和淬透性,减少了昂贵合金元素的用量,同时提高了材料的强度和硬度；二是系统研究了耐磨合金钢和耐磨合金铸铁的热处理规律,优化出提高材料硬度和韧性的淬火、回火工艺参数,提高了材料的耐磨性,同时扩大了应用范围。在热处理方面,由于本行业多品种多钢(铁)种的特点,多种合金元素的交互作用,使热处理工艺有别于常规钢铁材料,进一步优化工艺参数仍是努力的方向之一。另外,耐磨件表面硬度至关重要,减少耐磨件热处理氧化的工艺和设备研发也是需要加强的重要工作。

机械加工是泵过流件、轧臼壁、破碎壁、磨辊等耐磨件必需的工序,主要满足工况的安装要求。过去或因为耐磨高铬铸铁太硬,或因为耐磨锰钢机加工时加工硬化,使得耐磨件的机械加工很难。现在陶瓷刀具的技术进步和工业应用,使得耐磨件热处理后上机床一次性机加工已成为可能。有条件的专业化耐磨件生产厂应根据产品结构适时投入装备开展耐磨件机加工,这是提高耐磨件附加值进而提高企业效益的有效方式之一。国内一些成功的耐磨件企业走过了铸造—热处理—机加工的发展道路。

3.近年铸造耐磨材料技术研发与新技术应用

1)铁型覆砂磨球自动化生产线。

2)金属型磨球半自动生产线。

3)金属型磨段半自动生产线。

4)连续热处理炉。

5)低氧化罩式高温热处理炉。

6)小型耐磨件(磨段、小直径磨球)垂直分型无箱射压造型自动化生产线。

7)抗磨白口铸铁件淬火冷却介质。

8)过共晶高铬铸铁。

9)耐磨超高锰钢。

10)高硬度和高韧性耐磨合金钢。

11)等温淬火含碳化物球墨铸铁(CADI)。

12)双液铸造双金属复合材料(抗磨白口铸铁层/铸钢或铸铁层)。

13)镶铸合金复合材料Ⅰ(硬质合金块/铸钢或铸铁)。

14)镶铸合金复合材料Ⅱ(抗磨白口铸铁块/铸钢或铸铁)。

15)铸渗合金复合材料[硬质合金、抗磨白口铸铁、WC和(或)TiC等金属陶瓷颗粒/铸钢或铸铁]。

16)EPC工艺在钢铁耐磨铸件的应用。

17)v法工艺在钢铁耐磨铸件的应用。

18)离心铸造工艺在钢铁耐磨铸件的应用。

19)铁型覆砂工艺在钢铁耐磨铸件的应用。

20)树脂砂在钢铁耐磨铸件的应用。

21)精铸工艺在钢铁耐磨铸件的应用。

22)保温发热冒口的应用。

23)计算机数值模拟技术开始在耐磨铸件应用。

24)EPC法耐磨损高铬铸铁/钢复合管道。

25)钢铁液炉内吹氩净化技术。

26)钇基重稀土孕育变质剂。

27)炉前钢铁液孕育和变质处理技术。

28)球磨机磨球与衬板匹配系统选材技术。

29)高硬度高铬铸铁机械加工陶瓷刀具与加工工艺。

30)耐磨奥氏体锰钢机械加工陶瓷刀具与加工工艺。