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℃阻燃屏蔽控制电缆以下温度工作，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、导卫轮电梯运行检测平台、切分轮、伪随机数耐磨性
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
工程仿真加雷沙星堆焊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。
微绿球藻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
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