离子注渗碳化钨耐磨材料.doc

离子注渗碳化钨耐磨材料 离子渗碳化钨处理-碳化钨注渗钢基高级耐磨合金产品（简称 WCSA） 性能 WCSA（碳化钨注渗钢基合金）是采用高能离子使 WC 注渗到钢基体内，使表面形成耐磨性很高的碳化钨WC富集层和特殊的组织结构。WC 属高硬陶瓷材料，硬而脆，除了作研磨材料外，WC 很少直接使用。20 世纪 20 年代，科学家发明了以钴粘结的 WC 基硬质合金。作为刀具、模具、量具以及钻具使用，其耐磨性为高速钢 15-20 倍，实现了一次工具革命。当其它行业欲用碳化钨基硬质合金为耐磨材料时，发现粉末冶金方法制造的硬质合金，需要专门的压机和烧结炉，不可能制造出工程界期望的大尺寸和复杂形状零部件。另外，硬质合金耐磨性虽高，但韧性较差，脆性较高，价格较贵。这些因素使硬质合金只在刀、量、模、钻具中得到广泛应用，在其它机械产品中则应用较少。为了把硬质合金应用到其它机械产品中，工程界发展了碳化钨堆焊技术和镶嵌技术，解决了部分面积较大或形状复杂的零部件的表面抗磨问题。但堆焊碳化钨工艺复杂，堆焊层表面粗糙度较高，堆焊层内有许多孔隙，使用中易脱落；镶嵌硬质合金在使用中，特别是用在运动状态中的耐磨零部件，也经常发生因镶嵌不牢，而提前脱落失效或损坏其他机械零件的问题。北京永固运通表面合金科技有限公司在国内外率先采用高能离子注渗技术，能在各种复杂形状零部件的钢基体上注渗进碳化钨，形成高耐磨的碳化钨注渗钢基合金（WCSA）。WCSA 中碳化钨富集层达到 0.3-0.5mm，碳化钨硬化层达到 1.2-1.5mm。该合金具有高硬、高强、高韧、高耐磨性，是钢的表面改性技术，机械零部件表面改性工艺技术的重要突破，填补了国内外硬面耐磨材料的一项空白，具有国际先进水平。 WCSA 主要性能和性价比如下： 1 WCSA 具有良好的综合力学性能和很高的耐磨性 碳化钨注渗进钢基体内，形成冶金结合，浓度成梯度变化，没有宏观界面，形成特殊的组织结构，其微观组织特征详见图一。碳化钨和钢基体两者优势互补，表面具有碳化钨的高硬度、高耐磨性。而心部则保持了所选钢基体原来的强度和韧性。由于钢基体表层外来离子的轰击和注入，在表层产生压应力；无数外来离子进入表层内，充填和钉扎在表层原存在的位错、空位等缺陷处，又使普通钢基体表层合金化和强化，这一切使表层的拉伸强度和抗疲劳性均有很大提高。在表面和心部间还存在一个性能渐变的梯度过渡层，有效地避免了性能突变时可能引起的材料破坏。表面硬度根据客户要求以及被选择的钢基体性能，可在 HRC45-68 之间变动。 WCSA 的硬度不是衡量耐磨性唯一因素，软钢基体中 WC 同样具有耐磨性，只是比硬钢基体耐磨性稍差一些。Q235 钢注渗 WC 后，其显微硬度由表及里分布情况详见图二。在冶金，电力，建材等行业各种剧烈磨损工况下，WCSA 中的碳化钨硬化层厚度只在 1.2-1.5 毫米之间，其硬度稍高于钢基体硬化硬度。但实践证明，WCSA 的耐磨性能是钢基体材料的几倍到几十倍。这是因为 WCSA 是由颗粒尺寸比纳米还小数十倍的离子冶金而成，外来离子经过电子交换后在钢基体内有的以晶体形式出现，有的则在晶体中某一个点阵中存在。WCSA 抗磨主要是靠分布在钢基体内众多微小的 WC 颗粒来实现，钢基体表层的强度和硬度只是反映 WC 颗粒遭受磨擦时不致被磨损掉的支持能力。离子表面冶金后，在钢基体表层内 WC 颗粒尺寸微小，数量众多，高度弥散，提高了钢基体表层的强度和硬度，增强了对 WC 颗粒支持能力，WC 本身高的抗磨本领得到了充分发挥，宏观表现出来的结果就是耐磨性很高。也可以说在基体表层形成了特殊组织的 WC“盔甲”，有WC“盔甲”把关，由表及里的磨损则奈何不得！有关 WCSA 为什么具有如此高的耐磨性，还有待进一步从理论上加以系统研究。 2 WCSA 具有较高的红硬性、热强性和急冷急热稳定性 WCSA 在 800以下温度工作，不但热强性好，而且硬度也高，耐磨性很好。为了进一步增加耐热耐磨效果，还可在注渗 WC 过程中同时渗进耐热成分，这些成份的含量可根据需要加以控制以达到增加热强性，提高防氧化能力。由于 WCSA 中 WC 及注渗的其它成分在钢基体内是冶金结合，弥散分布，强韧结合。虽然两者膨胀系数不同，但有梯度过渡层起缓冲作用，这一切就使 WCSA 具有在急冷急热条件下长期服役的本领。WCSA 使用在冶金烧结系统、高炉布料系统、轧钢导卫系统耐热耐磨零部件，电力和水泥等行业的燃烧器、沸腾炉炉管、烟道耐热防磨零部件等方面，都取得了十分满意的耐热及抗磨效果。特别是处在急冷急热工况下使用效果更佳。 3 WCSA 工艺性好 WCSA 生产工艺是：以钢铁为原材料，经机械加工制造出各种零部件，通过高能离子注渗技术，使 WC 注渗进这些零部件的表层内。产品形状不受限制，工件尺寸范围较宽，特大型零件可在注渗碳化钨后进行焊接组装；注渗工艺与热喷涂、堆焊等工艺截然不同，在注渗时，工件表面粗糙度不受破坏；注渗在高能离子不断轰击下进行，带能量的离子轰击时使工件升温，由于热变形使工件尺寸和形位精度有所减低，对尺寸和形位精度要求很高的零部件，如轴承颈、模具、细长轴等高精度零件，除了选择热加工变形量小的基体材料外，还必须在注渗前留有尽量小的精加工余量，以便注渗后进行少量精加工。由于注渗层较厚，进行少量磨削等精加工后，也能保持较高的耐磨性。由于离子注渗 WC 是在表层内部进行，并不在表面外增加厚度，这和堆焊、喷涂、激光熔敷等工艺必须增加表层厚度且破坏表面粗糙度截然不同。因此，原采用堆焊、喷涂、激光熔敷等加工的零部件，必须把尺寸放大到堆焊、喷涂、熔敷后的成品尺寸。离子注渗后，在严重磨损工况下使用的零部件，其尺寸和形位精度都能保证，粗糙度也不改变，不需要再进行磨削加工。在高能离子注渗过程中，对客户要求的那些磨损快的部位，可增加 WC 含量，对客户不需要防磨的一些部位，也可少注渗或不注渗进 WC。过去许多强烈磨损工况下的零部件，不得不采用高速钢、高合金含量模具钢、钢结硬质合金等。这些材料的机械加工如锻造、热处理、车、磨、铣、钻、电加工等都比较困难。而 WCSA 所用钢基体都是选用碳钢或合金含量较低的结构钢，这些钢强度高，韧性好，其工艺性能也比高速钢好。这些易于加工的碳钢、低合金含量的结构钢，注渗进 WC 后其耐磨性能都能达到淬硬高速钢的 3-6 倍，不论制造工艺还是使用效果都达到了事半功倍的效果。高速钢、高合金含量模具钢、钢结硬质合金等耐磨材料，在工艺性能和使用场所都有许多限制，如复杂形状零部件加工困难，高冲击力或急冷急热工况不能使用。高速钢在制造工艺和使用工况方面的限制，正是 WCSA 长处所在。由于 WCSA 工艺性好，能在许多行业的耐磨设备上获得应用，不但减少了加工费用、提高了设备使用寿命，还为这些行业解决了许多技术难题和关键，节约了大量贵重金属材料。 4 WCSA 性能价格比高 WCSA 通常是在碳钢或低合金含量的结构钢基体表层注入 WC，其耐磨性能比高速钢、高合金含量模具钢、堆焊硬质合金都高很多。碳钢及低合金含量结构钢目前市面上价格大多为每公斤 5 元以下，而高速钢一般价格均在每公斤 30 元以上左右。由低级钢材取代高级钢材，原材料上的经济效益是显而易见的。由于高速钢等耐磨材料价格昂贵，许多客户只好改用高铬或稀土耐磨铸钢、铸石、喷涂陶瓷、堆焊碳化钨或其它耐磨材料。耐磨铸钢、铸石价格虽然便宜但十分笨重。喷涂陶瓷、堆焊碳化钨或其它耐磨材料，为防止工艺变形也需要较厚的钢基体。而 WCSA 抗磨是以 1.2-1.5mm 薄的高级耐磨层取代通用耐磨材料很厚的耐磨层。通常钢基体厚度只需要 8-20mm，使过去为了抗磨目的做得笨重的设备又变得轻便。材料成本、制造、运输、维护费用都减少了。WCSA 耐磨性通过几百家客户证明，虽随工况不同有些差异，但总体来看，WCSA 耐磨寿命为淬硬工具钢的 3-15 倍，是高速钢、堆焊碳化钨材料的 3-6 倍。所以 WCSA 减轻了重量、延长了寿命、减少了维修工作量，能保证生产长期安全运行。是一种物美价廉，性能价格比高的耐磨产品。客户使用WCSA 替代堆焊、喷涂、离子氮化等耐磨材料，替代高合金工具钢、高速钢及国外进口耐磨钢板，都会取得很高的经济效益。 离子注渗碳化钨用于冶金设备易耗配件耐磨效果好 摘要：筛分烧结料的筛板，高炉放散阀，转炉湿法除尘脱水器弯板，轧钢线上的导卫轮、切分轮等易耗配 件，改用碳化钨离子注渗钢基耐磨合金（下简称 WCSA），替代了原用的堆焊、喷涂等表面改性耐磨材料；替代了昂贵的高合金工具钢、高速钢。使用寿命达到上述被替代材料的三倍以上，经济效益十分显著。并对 WCSA 高耐性原因进行初步分析。 关键词：碳化钨、筛板、放散阀、脱水器弯板、导卫轮、切分轮、耐磨性 1、前言 钢铁企业中的许多设备都处于剧烈磨损工况中。过去这些设备及其配件大量采用堆焊、喷涂等表面改性耐磨材料；或选用高合金工具钢、高速钢制造。尽管如此，还有很多设备配件的寿命很低。如烧结系统的筛板，使用高铬镍合金制造，寿命也不超过三个月；高炉放散阀堆焊厚 510mm 碳化钨，寿命仍低于 2 个月；高线轧制线上的切分轮，用W6Mo5Cr4V2 高速钢制造，过钢量也达不到 1500T造成设备停机率高，维修工作量增大，制约了产量，影响了质量，还增加了成本。因此研究新型耐磨材料替代传统的耐磨材料是一项刻不容缓的工作。最近几年，碳化钨注渗钢基耐磨合金（WCSA）在冶金行业得到了广泛应用。WCSA 具体使用效果及耐磨机理还未见报道，本文对此问题进行研究探讨。 2、WCSA 产品使用效果 烧结、炼铁、炼钢、轧钢设备的许多易耗配件，改用 WCSA 后，提高了使用寿命，降低了生产成本，受到客户的广泛欢迎。 21 烧结系统 WCSA 产品使用效果 某钢铁公司烧结厂有一台 400m 烧结机，日处理烧结料万吨左右。由于烧结机负荷重，工作条件十分恶劣，与烧结机相配套的各种机械设备寿命较短。如各种溜槽，原用 16Mn钢板堆焊 10mm 厚碳化钨耐磨层，使用寿命只有 100 天左右；筛板、盲板原用 Cr24Ni5 耐热耐磨铸钢，使用寿命只有 3 个月左右；合金钢制造的风机叶片，寿命不到半年最近几年，烧结系统中这些关键易耗配件都改用 WCSA 产品。WCSA 溜槽平均寿命提高到 400天；WCSA 筛板使用寿命达到一年以上；WCSA 风机叶片寿命提高 3 倍以上；WCSA 除尘弯管寿命提高 4 倍由于改用 WCSA 后寿命提高数倍，节约了生产成本，减少维修强度和维修费用，大大提高了设备作业率，其经济效益十分明显。 22 炼铁系统 WCSA 产品使用效果 高炉上的放散阀、受料漏斗、旋转溜槽、炉前开铁口机钻打轴等都是磨损较快的零部件。过去高炉上的放散阀大部分采用合金铸钢、球墨铸铁再堆焊或喷涂一层耐磨层，平均寿命只有一个月左右。当改用 WCSA 的放散阀座和阀盖，平均使用寿命达到 8 个月以上；炉前开铁口机的钻打轴，由于工作负荷重，工况较恶劣。原用合金工具钢生产的钻打轴磨损很快，有时还?鱿侄现崾鹿剩跋焐桶踩甏蛑岣挠?WCSA 产品磨损减少了，轴不断了，使用寿命提高 4 倍以上。 23 WCSA 弯头脱水器下弧板使用效果 某钢铁公司 20T 和 100T 转炉采用湿法除尘。净化回收转炉烟气系统的第一级文氏管后，是 90 弯头脱水器及下弧板。该下弧板由于长期使用碱性水冲刷，压力大，流速快，溶液中又含有很多固体颗粒，磨损严重。原来用 8mm 厚的 16MnCu 钢制造，一般使用 30 天左右就被打漏，停炉补焊，补焊后不久又被打漏，影响生产。现改为在普通钢板表层注渗碳化钨，耐磨耐蚀性大大提高，使用寿命达到 6 个月以上。 24 WCSA 导卫轮及切分轮使用效果 02 轧钢生产线上的导卫轮，高速线材轧制线上的切分轮，长期与 9501000C 轧件局部接触，水冷却又使导卫轮、切分轮处于急冷急热状态中，常常发生疲劳裂纹引起表面崩裂失效；高速行进的轧件又使导卫轮、切分轮产生强烈磨损。不规则的外力又加快了磨损。在这种较恶劣工况下工作的导卫轮、切分轮使用寿命普遍较低。 某钢铁公司轧钢厂，用一般耐磨材质制造的导卫轮，过钢量不超过 2000T。使用周期还不稳定，给导卫轮定期更换带来很大困难。为了解决这一难题，轧制生产线上的工程师们，在优化选择导卫轮材料、合理使用导卫轮表面改性处理工艺、改进导卫轮结构设计等方面进行大量研究试验工作，取得了很多进展。目前该公司轧制生产线上的导卫轮采用4Cr5MoSiV1（简称 H13）钢材制造，再经适当表面热处理。这种导卫轮在第八架轧机使用，过钢量达到 6000T 左右；在第十架轧机使用，过钢量达到 5000T 左右。但他们并没有满足已经取得的成绩，在原导卫轮表面注渗了碳化钨，改性后的 WCSA 导卫轮在第八架轧机使用过钢量平均达到 28500T，提高寿命 4.7 倍，在第十架轧机使用过钢量达到19000T，提高寿命近 4 倍。 某钢铁公司高速线材轧制线上的切分轮，使用寿命一直较低。过去曾试验过对切分轮楔尖局部热处理；切刃喷涂和堆焊碳化钨；也采用过不同成份合金工具钢制造。这些措施的效果都不太理想。相对而言，采用昂贵的 W6Mo5Cr4V2 高速钢制造的切分轮，使用寿命尚可。在轧制16 带肋钢筋时每对切分轮过钢量达到 1000T 左右。后来改用一般工具钢制造并经离子注渗碳化钨处理，这种 WCSA 切分轮过钢量达到 3300T 以上。过去常常发生的疲劳裂纹引起崩烈的现象消失了。一只高速钢切分轮，采购价 250 元/只；而 WCSA 切分轮采购才 200 元/只。价格下降 20，寿命提高 3 倍以上。 3、WCSA 产品高耐磨性初步分析 上述实例说明 WCSA 零部件比堆焊、喷涂表面改性耐磨材料更耐磨，比热处理硬 化后的合金工具钢、高速钢更耐磨。WCSA 为什么比这些耐磨材料更耐磨呢？ WCSA 是北京永固运通表面合金科技有限公司的发明专利技术产品。该产品以一般结构钢或工具钢制造，然后以直径比纳米还小的高能碳化钨离子注渗到钢基体表层冶金而成。注渗层厚度达到 1.2 1.5mm。注渗层中的碳化钨以微小质点高度弥散分布在钢的不同晶格中。它与钢基体是冶金结合。形成了以钢基体完全不同的特殊组织结构和独特性能：表层具有 WCSA 的高硬度、高耐磨性能，心部又保留了所选钢基体的强度和韧性，在表层与心部之间还存在一个性能渐变的梯度过渡区。实现了耐磨性、强韧性、耐热性、抗冲击性的合理组合。 从微观角度看，钢材表层经无数离子轰击和注入，使注渗层内晶体结构发生很大变化，形成很多小角度晶界、亚晶界，使注渗层晶粒得到细化。无数外来离子经过电子交换后，有的形成晶体存在，大部分则在钢基晶体中的某一点阵中存在，引起了许多晶格畸变。外来的许多微小的 WC 颗粒分布在钢基内，弥散强化作用很突出。这些使注渗层的硬度、拉伸强度、疲劳强度以及红硬性、热强性等综合性能比钢基体有大幅度提高，使遭遇磨损的碳化钨颗粒不被很快磨耗掉的夹持能力大大增强，使 WC 本身的高耐磨性得到充分展示。 前面提到采用工具钢、高速钢制造的导卫轮、切分轮，经常发生疲劳裂纹崩裂而失效。实践证明，WCSA 导卫轮和切分轮不存在这个问题。这是因为金属疲劳裂纹都源于材料表面。离子注渗 WC 产品的表面，由于注渗时无数离子轰击已发生塑性变形，伴随产生的压应力有效地抑制裂纹萌生。同时钢基中易萌生裂纹的各种位错及其它晶体缺陷，在离子注入时，由于外来原子的填充，强烈的钉扎作用使滑移面受阻，不易萌生裂纹。注渗层晶粒细化也能有效地阻止微裂纹扩展。这些因素使 WCSA 导卫轮、切分轮在使用中不易发生裂纹和崩落。 0 总之，离子注渗碳化钨层中，聚集了数量众多、高度弥散分布的细小 WC 颗粒，这些 WC 颗粒抗磨能力强；随着注渗层综合力学性能的提高，使 WC 颗粒在磨损时获得很大的支护能力，使 WC 颗粒不崩不掉；注渗层还具有不易产生疲劳裂纹而崩裂破坏的功能。上述因素综合作用的结果，宏观表现出来的，就是 WCSA 在许多治金设备易耗配件中具有杰出的耐磨功能。由于离子注渗碳化钨材料是一种新型耐磨材料，它为什么具有如此高的耐磨性，还有待进一步从理论上加以系统的研究。 4、结语 碳化钨注渗钢基耐磨合金（WCSA）是一种创新型的高级耐磨材料。它主要用于冶金行业许多剧烈磨损设备的易耗配件。替代了原用的堆焊、喷涂等表面改性耐磨材料；替代了原用高合金工具钢、高速钢制造的易耗配件。使用寿命还比上述被替代材料提高 3 倍以上，技术经济效益十分显著。在大量消耗耐磨材料的冶金行业，推广应用 WCSA 产品具有十分重要的意义。 碳化钨注渗钢基耐磨合金在水泥行业的应用及高耐磨性分析 摘要：水泥行业立磨、辊压机、选粉机、燃烧器等设备中的耐磨件，采用离子注渗钢基耐磨合金（下简称 WCSA），其耐磨性是堆焊、喷涂碳化钨耐磨层的 3-6 倍，也比进口耐磨钢板的耐磨性高 3 倍以上。WCSA 高耐磨性是由先进的离子注渗工艺及其形成的特殊组织结构所决定。水泥行业采用 WCSA 耐磨件经济效益十分显著。 关键词：碳化钨 耐磨合金 高耐磨性 立磨 辊压机 选粉机 燃烧器。 0 引言 水泥生产过程中，其原料和燃料由于数量多，物料硬，运动快，对设备磨损严重。立磨扇形护板、导流护板、拉杆护套；辊压机中的布料器、挡料板、溜管；高效选粉机中的选粉壳体、叶片、撒料盘、旋风筒；燃烧器煤风管中的进煤管、上下壳体、耐磨套、内外喷头、菱形支撑板；中间料仓进出口溜槽、料斗；高速提升机、链斗机、取料机设备中的滚、套、销；煤粉制造和输送系统的异径管、弯管；风机和收尘器系统的弯管、楔形管、梯形板等都需要在物料磨损面采取防磨措施。过去，这些零件的耐磨面大多采用堆焊、喷涂耐磨层或碳化钨（WC）层，选购进口耐磨钢板来抗磨，收到了一定效果，但耐磨性仍然偏低。如堆焊 WC 的立磨护板使用寿命最长的不会超过四个月；选粉机叶片、燃烧器中煤风管，在堆焊或热喷涂 WC 后使用寿命也达不到一个大修理期；中间料仓出口锥度管，选用进口耐磨钢板制作，其寿命通常也达不到一年。这些零部件更换和维修频繁，使设备运转效率减低，提高了产品成本，制约了生产的发展。 为了提高这些设备的耐磨性，北京永固运通表面合金科技有限公司发明了离子注渗 WC制备高级耐磨材料的新技术。该技术已获得国家发明专利，具有自主知识产权。它是通过高能离子注渗技术向需要耐磨的钢铁零部件的表面及表层，注渗进高抗磨的 WC，WC 层达到 1.2-1.5mm，其中 WC 含量较高的富集层达到 0.3-0.5mm。使原钢铁零部件表层改性为 WC注渗钢基耐磨合金（下简称 WCSA）。WCSA 具有高硬、高强、高韧及高的抗疲劳性，由于零部件需要抗磨的表面及表层有 WC“盔甲”把关，由表及里的磨损则奈何不得。在离子注渗 WC 时，注渗层及周边部位的红硬性和热强性也同时大幅度提高，实现了耐磨性、耐热性、强韧性的合理组合，较好地满足了水泥行业耐磨又耐热的燃烧器等零部件的需求。WCSA 是在钢铁零部件需要抗磨部位经离子注渗 WC 而成，注渗件形状不限，注渗后工件尺寸不会增加，表面粗造度基本不变。WCSA 零部件的耐磨性达到堆焊或热喷涂 WC 层以及进口耐磨钢板的 3-6 倍，离子注渗碳化钨的费用略高于堆焊和进口耐磨板，比超音速喷涂 WC低很多。WCSA 零部件大幅度提高耐磨零部件使用寿命，减少停机损失和维修费用，这几方