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

（新世纪水泥导报2003.2）

    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。

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。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，这几方面综合效益远高于注渗碳化钨费用，经济效益十分显著。因此，WCSA产品倍受水泥行业工程界的青睐。

1 使用效果

    目前在水泥行业中，WCSA产品主要用于立磨、辊压机、高效选粉机、多通道燃烧器的耐磨零部件，都取得了十分满意的使用效果。

1.1 立磨耐磨零部件：

    我国大型水泥企业，不少单位采用立磨粉碎生料。这些立磨过去大部分从欧洲进口，目前国内沈阳、合肥等地也都生产立磨。立磨生料粉碎产量大，使立磨内的护板、拉竿护套、冷却水管等零部件磨损很快。如进口立磨的内外护板，是在钢板上堆焊8-10mm厚的WC，其使用寿命达不到四个月。国产立磨护板使用寿命比进口的还差一些，现在钢板上注渗进WC，钢板内WC富集层为0.3-0.4mm。经国内许多水泥集团的长期使用，其寿命达到原堆焊WC耐磨板的6倍以上。

1.2 辊压机系统耐磨零部件：

    辊压机作为水泥厂物料粉碎的主设备，越来越多地得到应用。但辊压机系统目前存在的主要问题是有些零部件寿命较低。压辊是靠厚度耐磨的，WCSA中的WC注渗层只有1.5mm，提高压辊寿命有限。除压辊外，辊压机系统的中间仓入料口及下锥体；辊压机布料器及端挡板，输送物料的溜槽、异径管、弯管等，寿命也较低。过去这些零部件大多采用进口耐磨钢板制造，使用寿命不到一年。华北地区多家大型水泥集团公司都改用WCSA制造。最早使用厂家已达2年以上，磨损量很小，根据磨损量可以推算WCSA比进口耐磨钢板耐磨性最少高3倍以上。

1.3 高效选粉机耐磨零部件：

    选粉机是水泥生产的主要设备之一。为了提高选粉效率，高效选粉机逐步替代过去使用的低效选粉机。高效选粉机的旋转体速度和气流速度也要加大，要求选粉机内的许多零部件具有高的耐磨性。如某高效选粉机的叶片只有6mm厚，过去采用热喷涂WC来解决，由于耐磨性不足，使高效选粉机达不到“高效”。现在改用6 mm厚钢板注渗WC ，使用效果很好。天津等地制造的高效选粉机中的叶片、连接板、衬板、布料器、撒料盘等零部件都采用了离子注渗WC材料，使高效选粉机的使用寿命达到同类选粉机的5倍以上。

1.4 多通道燃烧器零部件：

水泥企业回转窑普遍采用各种二通、三通、四通或多通道燃烧器。燃烧器的煤风管、调节板等零部件磨损很快。特别是煤风管，它是由两种不同直径的钢管组成，直径大多在Ф219mm以下，其长度均超过800mm，大管内面，小管外面需要耐磨。由于径长比很小，不论堆焊或热喷涂WC，大管内面耐磨性均比小管外面耐磨性差，使煤风管寿命减少。现改用离子注渗WC，大小管耐磨面处处耐磨性一样，而且耐磨性大大提高。天津、湖北、江苏等地的燃烧器制造厂家都改用WCSA的煤风管，其寿命都比堆焊、喷涂WC提高3倍以上，保证水泥企业在一个大修理期内无需更换煤风管，受到了用户的好评。

2.效果分析

    从立磨、辊压机、选粉机、燃烧器系统耐磨件实际使用效果看，离子注渗WC的零部件比堆焊、喷涂WC及进口耐磨钢板的耐磨性提高3-6倍。离子注渗、堆焊、喷涂三种工艺都是以高耐磨WC为抗磨载体，堆焊WC耐磨层最后大约4-10mm；喷涂WC的厚度在0.5～2mm；离子注渗WC富集层只有0.35mm左右。为什么薄的比厚的更耐磨呢？这需要从各自WC层的形成工艺，WC层组织结构及耐磨机理加以说明。

    目前堆焊WC的工艺大多数是手工氧—乙炔或电弧堆焊，也有用高频感应或宽带极堆焊的。普遍使用的热喷涂方法有火焰、电弧、等离子喷涂，还有超音速火焰喷涂、爆炸喷涂，后者质量虽好，但价格太高，一般机械很少采用。目前机械工程中的堆焊和喷涂基本上是人工操作，人为因素较多，工艺参数控制不严，WC分解脱炭严重，WC层内都存在较多孔隙和微裂纹。WC层与基体之间以机械结合为主，冶金结合为辅，宏观界面清晰可见（见图一）。

    高能离子注渗WC工艺是在真空下进行，对所有耐磨面同时进行离子注渗，工艺参数均由电脑控制。由于是通过比纳米还小的离子进行注渗，钢基体内的WC颗粒尺寸微小、数量众多、弥散分布，两者是冶金结合，梯度变化，没有宏观界面（见图二）。

    由于堆焊、喷涂、离子注渗WC的工艺不同，WC耐磨层宏观和微观组织结构也不同，使它们抵抗磨损的能力表现出很大的差距。

    从高能离子注渗WC层的金相组织和硬度分布曲线（见图三）来看，在这种组织结构中，WC和钢基体两者是优势互补，表面具有WC的高硬度、高耐磨性，心部则保持了所选钢基体原来的硬度、强度和韧性。在表面与心部之间还存在一个性能渐变的梯度过渡区，有效地避免了性能突变时可能引起的材料破坏。在WC富集层内，无数细小WC颗粒起着弥散强化的作用，使钢基体提高了强度和抗疲劳性能。在磨损工况下，基体强度的提高，就是增强了WC颗粒经受磨损的支持能力；抗疲劳性能的提高使WC颗粒崩裂脱落的危险大大减少。由于这些因素综合作用，使WC本身的抗磨能力得到了充分发挥，宏观表现出来的结果就是耐磨性很高。堆焊、热喷涂WC的耐磨层虽然很厚，但它与基体不是完全冶金结合，也没有过渡层，还有许多细小孔隙和微裂纹，还存在许多没有金属支持的WC聚合体。这一切使WC颗粒的支持能力减弱了。在剧烈磨损条件下，支持力不足的WC颗粒很快被磨掉，宏观表现出来的结果就是耐磨性差。所以堆焊、热喷涂形成的较厚的WC层，远不如离子注渗的较薄的WC层耐磨。

3.结论

    现代水泥生产中的立磨、辊压机、高效选粉机、燃烧器等设备中的许多耐磨零部件，过去大多采用堆焊、热喷涂WC或采用国外进口耐磨钢板来抗磨，耐磨效果尚可，但不理想。现用WCSA替代堆焊、热喷涂WC耐磨层及进口耐磨钢板，耐磨性提高了3-6倍，还减少了维修费用和停机损失，改用WCSA收益远高于WC注渗费用，使用WCSA耐磨件的经济效益十分显著，因此，WCSA材料值得在水泥行业耐磨设备中大力推广应用。