自蔓延特种制备工艺在工业耐磨铸件中的应用实践与质量控制

在矿山破碎、水泥粉磨、机制砂生产还有电力燃料制备这类工业场景里面，磨辊、板锤、锤头和衬板既要扛住持续不断的磨损，又要承受不一样程度的冲击。只是单纯把材料的硬度拉高，并不一定就能解决现场遇到的实际问题。针对这样一组矛盾，利用自蔓延反应生成陶瓷增强相，再把它和金属基体复合在一起，是工业耐磨铸件做局部强化很重要的一个技术方向。相关的研究资料也表明，这类工艺可以把强化区域布置在关键磨损的部位，不用把整个铸件全部做成高硬度的材料。

自蔓延特种制备工艺能不能发挥工程价值，最终看的就是协同配合：陶瓷增强相负责承担耐磨的功能，金属基体提供支撑和承载能力，而两者中间的界面，决定了这一套配合能不能长时间稳定保持下来。所以我们在落地应用的时候，不能只盯着陶瓷含量和硬度这两个指标，还得把反应的稳定性、金属浸渗效果、界面质量，还有现场实际工况，一起放进同一套管控体系里面。

一、自蔓延工艺如何用于耐磨铸件强化

1. 依靠放热反应生成陶瓷增强相

自蔓延高温合成一般简称为SHS，它基本的原理是：反应体系被成功引发之后，依靠自身释放出来的热量，推着反应继续向前传播，最后生成我们想要的目标材料。放到铁基耐磨铸件的研究里面，一种比较典型的做法，就是先把反应粉末做成预制体，放进铸型里面，之后再借助金属液自带的热量去触发反应，在指定的区域里面原位生成陶瓷增强相。

拿研究比较多的碳化钛增强体系来举例，反应原料可以选用不同搭配的含钛、含碳粉末组合。原料配比、粉末压实的状态，还有里面添加的辅助组分，都会影响整个反应的过程，进而改变增强区的组织形态、硬度水平和耐磨表现。所以自蔓延工艺，并不是简单往金属液里面丢硬质颗粒，它同时包含了反应合成，还有复合组织成型这一整套制备过程。

2. 分清原位合成和预制复合这两条不同路线

工业上的陶瓷金属复合件，有好几种不一样的制备路线：一种是先提前做好陶瓷颗粒，再把陶瓷颗粒和金属复合到一起；另一种是在铸件成型的过程当中，依靠化学反应直接原位生成增强相。这两种路线用到的原料状态、界面形成的机理，还有过程管控的重点，并不完全一样。

NCA纳米融瓷技术，就是采用自蔓延特种制备工艺来成型；而SCC二次复合熔铸技术，是先做好融瓷合金块，再把这块合金复合到大型耐磨件的核心工作面上面。

二、应用实践：从整体增硬转向关键区域强化

1. 磨辊与衬板：强化工作面，同时保留结构承载能力

磨辊、衬板这类大件，很适合采用工作面局部复合的设计思路。融瓷资料里面介绍的SCC路线，就是先制备好融瓷合金块，再依靠二次熔铸，把它复合到核心工作面上面，主要用在大型磨辊、衬板这类重载耐磨件上面。它的技术重点，不只是往里面多加陶瓷材料，还包括保证预制复合体和铸件本体之间，能够形成可靠的连接。

针对这类产品，我们在做设计和验收的时候，主要围绕下面这三个问题来展开：

• 强化区域有没有覆盖到主要的磨损带，而不只是在图纸上面画出一个很高的覆盖率；
• 强化层的深度还有分布状态，能不能和预期的磨损形貌匹配上；
• 强化区和承载区之间，有没有形成连续、稳定的过渡层。

这几个管控重点，和局部增强铸件的基本思路是保持一致的：把耐磨功能集中布置在关键部位，同时避免不必要地改动铸件其他区域本身的性能。

2. 板锤与锤头：强化打击区，更要匹配冲击条件

板锤和锤头在选用的时候，不能只看物料的磨蚀性怎么样，还要重点关注冲击载荷。融瓷资料里面提到，它的陶瓷复合板锤和锤头，是在核心打击部位复合陶瓷合金颗粒，主要面向河卵石、花岗岩这类强磨蚀性物料的破碎制砂场景；NCA产品的基体材质，还有陶瓷颗粒的韧性等级，也都可以跟着冲击条件去做匹配调整。

我们在实际选型的时候，要把进料粒度、落料方式、设备转速、异物混入的风险，还有旧件已经出现的失效形态，全部当成输入条件。如果原来的部件主要是均匀磨损，那就可以重点评估强化区带来的耐磨增益；要是失效形式以崩角、断裂、局部剥落为主，那就要先复核结构还有韧性匹配的情况，不能单纯靠提高陶瓷含量，来代替完整的失效分析。这也是把资料里面“按冲击强度匹配基体与增强体”这句话，落实到工程选型里面的办法。

3. 区分不同复合工艺的适用边界

陶瓷金属复合，并不是一种不受工况限制的通用方案。就拿融瓷资料里面提到的CF熔覆成型技术来说，它主要面向滑动磨损、微冲击还有磨损占主导的工况，它不适合强冲击场景。我们不能因为这些产品都属于陶瓷金属复合材料，就把某一种工艺的使用边界，直接套到全部耐磨铸件上面。

三、质量控制的核心：让反应、浸渗与凝固相互匹配

自蔓延工艺制备复合材料的时候，很容易出现孔隙、组织分布不均匀这类问题；反应本身的放热特征、预制体的状态，还有体系里面的组分，都会影响最终成品的质量。有一部分研究，会通过添加调节组分去控制反应进程，用来改善增强层组织的稳定性。这也说明，自蔓延反应并不是越剧烈越好，关键是让反应过程，和复合成形的条件互相匹配起来。

在这个基础之上，工业生产里面，可以按照下面这些环节搭建一套质量控制方案。表格里面写的内容，都属于工程层面的管控建议，具体的检验方法、合格限值，要通过工艺评定来确定，不能直接拿过来当成所有产品统一的标准。

1. 原料与预制体：兼顾反应传播和金属进入

预制体并不是压得越密实就越好。压实的状态，既会影响反应物颗粒之间的接触效果，也会影响金属液渗进预制体里面的条件。相关的综述文献，已经把压制压力、粘结剂选用还有粉末配比，列为影响复合材料组织和性能很关键的工艺变量。

所以在过程管控的时候，最好把预制体的尺寸、重量、完整度，和成型工艺参数关联在一起，再通过试制剖切，去验证它内部的复合效果。只检查外形好不好看，很难充分判断反应有没有进行完全，内部有没有存在复合不到位的区域。

2. 反应与浇注：不能把升温当成单一解决办法

金属液可以提供反应启动需要的热量，但这不代表我们单纯提高浇注温度，就可以持续改善成品质量。自蔓延反应本身自带放热的特点，局部的热过程，还会受到体系配比、预制体结构的影响。研究里面出现的组织不均、孔隙多这类问题，也提醒我们，必须同时兼顾反应强度，还有复合成形的条件。

放到工程实操里面，我们最好通过多轮试制，确定适配这套材料、这个截面尺寸的工艺窗口，并且把浇注、反应，还有后续的组织检查结果一一对应起来。对于重量不一样、壁厚不一样、强化区布置方式不一样的铸件，没有经过验证的话，不能直接沿用同一组工艺参数。

3. 界面与组织：不仅要“有陶瓷”，还要“结合有效”

材料里面能找到陶瓷颗粒，只能说明里面含有增强相，不能单独证明强化效果是稳定可靠的。相关的研究也指出，陶瓷增强相和铁基体之间的界面结合状态，会对复合材料整体性能起到很关键的影响。

按照这个思路，质量验证最好分成两个层次来看：第一，观察增强相在金属基体里面的分布，还有它的结合状态；第二，检查局部强化区和铸件本体之间的过渡区域。前者关系到陶瓷颗粒能不能正常参与耐磨防护，后者关系到强化区域能不能稳定承载。对于采用预制块二次熔铸的产品，后面这一层验证，就尤其需要放进验证方案里面。

四、成品验收：硬度不能替代综合质量评价

1. 分清硬度测试对象与指标口径

陶瓷相本身的硬度、金属基体的硬度，还有复合工作面测出来的硬度结果，并不是同一个概念。HRA和HV属于不一样的硬度标尺，不可以混写，也不能直接互相换算。所以检验报告里面，一定要写清楚测试的区域、测试方法，还有这个结果对应的是哪一部分材料。

同样的，我们也要把陶瓷相体积占比和工作面覆盖率分开来看。NCA技术标注的陶瓷相体积占比最高可以到70%，而SCC技术标注的陶瓷有效覆盖率是70%—90%。前者是按体积统计的口径，后者是工作面覆盖的口径，不能拿这两个数字互相推算。

2. 用组织和缺陷检查解释性能差异

想要把控批次之间的稳定性，建议把硬度检测，和代表性位置的金相观察、界面检查，还有合适的无损检测手段结合在一起。原因也很简单，自蔓延复合材料里面的孔隙、组织不均匀这类问题，不一定能靠单点硬度检测完整反映出来；就算测出来硬度很高，也不能排除局部复合不良的情况。

至于缺陷允许尺寸、孔隙水平、强化区有效深度这些项目，要在试制评定还有产品技术协议里面写清楚，不能在缺少验证依据的时候，直接给出一套统一的数值。

五、现场验证：用可比工况评价实际价值

实验室里面做的耐磨试验结果，和设备上跑出来的实际使用寿命，要分开来评价。