离子注渗碳化钨用于冶金设备易耗配件耐磨效果好

（冶金文摘2006.1）

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5～10mm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。

2．1烧结系统WCSA产品使用效果

    某钢铁公司烧结厂有一台400m2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。

2．2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，有时还出现断轴事故，影响生产和安全。钻打轴改用WCSA产品磨损减少了，轴不断了，使用寿命提高4倍以上。

2．3 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900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。

2．4 WCSA导卫轮及切分轮使用效果

    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950～10000C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。

    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。