研究：3D打印提升采矿行业高铬白口铸铁的耐磨性

高铬白口铸铁（HCWI）在采矿业中有着广泛的应用，主要是由于其出色的耐磨性、抗冲击性和耐腐蚀性。这些优点使得它能够提高设备的使用寿命、降低维护成本，并提高生产效率和安全性。尽管具有优异的耐磨耗性能，很多HCWI制成的部件仍然具有较高的磨损率，例如，在恶劣的工作环境和高强度的工作条件下，渣浆泵的使用寿命可能低至三个月。这些设备需要定期维护，如果发现问题，需要修复或者更换受损的零部件。如果这些部件可以在现场维修而不是更换，那么维护的成本将大大降低，同时制造这些零件对环境的影响也将大大降低。而3D打印技术，有潜力满足这个需求。

一般来说，3D打印过程中的快速冷却所导致的晶粒细化可以提高传统合金的机械性能，包括耐磨性。然而，对于高铬白口铸铁来说，其微观组织的过度细化会降低其耐磨性能。来自皇家墨尔本理工大学、迪肯大学和ANSTO/悉尼大学的团队于2024年3月在Wear发表了题为“Effect of boron addition on the microstructure and wear resistance of laser beam directed energy deposited high chromium white irons“的文章中解决了这个问题。

设计策略

对于HCWI，提高耐磨性的普遍方法是改变合金的微观结构和其中的碳化物的形态。最直接的方法就是增加合金中的碳含量。但是，碳浓度的增加会使材料的断裂韧性迅速降低—也就是说，合金会变得“更脆”，这样的材料在服役中更容易产生断裂，导致合金的耐磨性降低。

除了增加碳含量之外，改变微观结构和碳化物形态的另一种方法是增加合金中可以替代碳当量的元素。硼（B）是铁合金中碳的常见替代元素之一。它在HCWI中会形成不同类型的硬质相（硬质相的含量和形态对HCWI的耐磨性能有很大的影响，它们是设计合金耐磨性能时必须考虑的因素）。此外，B通常与铁合金中的廉价元素（例如 Fe 和 Cr）形成硬质相。当不用添加其它相对贵重的金属元素（例如钛）时，合金的设计成本也会相对较低。

在3D打印后，样品的成分

除了硬质相，设计合金耐磨性能的另一个因素是材料的基体。在微观组织中，它们分布在硬质相的周围，在合金受磨损时，提供对硬质相的支撑。HCWI 中的基体可以是奥氏体 (γ-Fe)、马氏体 (α'-Fe) 或珠光体，具体取决于合金的化学成分和加工条件。基体的选择取决于合金的应用场景，对于一些零部件，例如，渣浆泵，α'-Fe 基体设计合金时的首选，因为它提高了 HCWI 合金的整体硬度。而B 可能促进 α'-Fe 的形成，这些特点，使得B可以作为C替代元素。通过对相图的计算，本篇文章选择添加三种浓度的B来研究它对微观结构演变及其对耐磨性的影响：一种共晶成分（0.6 wt. % B）；另外两种含量不同B含量的过共晶合金（1.1 wt. % B 和 1.6 wt. % B）。

研究发现和耐磨性能分析

1. 微观组织的演化

HCWI是亚共晶，也就是相对较软的基体（γ-Fe）首先凝固，然后伴随着共晶的结构（γ-Fe和M7C3）（Figure1a）。合金B1接近于共晶（Figure1b），基体由γ-Fe和α/α'-Fe组成，硬质相为M7(C,B)3。而合金B2和B3是过共晶（Figure1c和d），初生相为硬质相。EBSD图确定初生碳化物为M7(C,B)3。在B2和B3中，有新相M3(C,B)形成，它们主要分布在共晶区。通过对各个元素分布的研究（EDS，Figure2），添加的B主要与Cr，C形成了硬质相。这些结果表明，加入的B，主要参与了硬质相的形成。主要的原因是，B在铁的溶解度要比碳小三个数量级（C在γ-Fe中的最大溶解度为2.14 wt.%）。所以在铁合金中添加B会促进碳化物或碳硼化物的形成。

不同B浓度下HCWI合金微观结构

不同B浓度下HCWI合金微观结构的EDS成分图分析

2. 耐磨性能分析

经过耐磨实验后，对于3D打印的合金，它们的耐磨性能随着B浓度的增加而增强（体积损失随着B浓度的增加而下降，Figure3）。B3的体积损失比3D打印的HCWI减少了67%。此外，B3比铸造的HCWI具有更好的耐磨性。

对于 HCWI，磨损性能取决于微观结构和磨损环境。由于在合金B2和B3中B含量的增加，产生了初生硬质相，并且它们的形态更粗糙（Figure1），含量也更高。这些变化增加了合金表面的硬度，从而提高了合金的耐磨性。

不同B浓度的DED-LB-HCWI合金在高应力磨损试验中的体积损失

有意思的是，由于3D打印导致的晶粒细化，使得合金的性能与成分相同的铸造样品有着很大的差异。对于铸造的HCWI，无论哪种基体（γ-Fe 或 α'-Fe），其耐磨性能在碳化物含量达到体积的30 %（30 vol. %）的附近时最优。这是因为，当合金的微观结构含有30 vol. %左右的碳化物时，它们的硬度和断裂韧性达到了一个平衡，从而获得了最佳的磨损性能。当碳化物的含量高于30 vol.%时，合金很快变得脆而易碎，其耐磨性能也迅速下降。然而，对于3D打印，合金的耐磨性能随着B含量的增加而增强。B3含有60 vol.%的碳化物，但是其体积损失仍然比HCWI低了 67%。也就是说，对于3D打印，硬质相的含量还可以继续提高以提高其耐磨性能。

结论

总之，在研究了添加B的3D打印HCWI的微观结构演变和在高应力磨粒磨损体系中的耐磨性后，合金 B3（添加 1.09 wt. % B）比铸造 HCWI 具有更好的耐磨性。

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