一、引言

随着机电技术向重载、高效及极端环境适配升级，冶金、矿山及航空航天装备对破碎机锤头、轧机轧辊等核心部件提出了更高要求。高耐磨合金铸件凭借优异的耐磨、抗冲击及承载能力，成为极端工况下的首选，但传统铸件在材料配比、结构设计及制造工艺上的局限日益凸显，难以满足新需求。

当前主要存在三大问题：一是材料配比不合理，侧重单一性能导致综合失衡；二是结构设计依赖经验，缺乏系统优化且存在应力集中隐患；三是制造工艺落后，易产生内部缺陷且表面质量不佳。此外，现有研究多聚焦单一工况测试，忽视“材料 - 结构 - 工艺”协同优化，方案实用性不足。

基于此，本文重点研究极端工况下高耐磨合金铸件的服役性能，系统阐明工况影响机制、失效机理及评价指标。通过筛选优化材料成分、创新结构设计及改进制造工艺，验证协同优化方案的有效性，旨在解决铸件易损难题，为机电装备关键部件的设计制造提供坚实的理论支撑与应用指导。

二、机电领域极端工况特征及对高耐磨合金铸件的影响机制

机电领域极端工况复杂多样且常呈复合形态，显著加剧铸件失效风险。本章剖析五类典型工况特征及其对铸件微观结构与力学性能的影响机制。

2.1 机电领域极端工况的主要类型及特征

高温工况常见于冶金与航空装备，环境温度常超500℃甚至达1000℃，伴随高温氧化、腐蚀及周期性热应力，易致铸件变形开裂。低温工况应用于极地或高空，温度低至-60℃，特征是脆化、冷冲击及冰雪冲蚀，导致韧性骤降。高载荷工况多见于矿山机械，表现为高频高幅冲击与静载叠加，引发应力集中与疲劳开裂。强腐蚀工况存在于化工海洋环境，酸碱盐雾侵蚀破坏表面膜，致结构疏松穿孔。高冲蚀工况见于风机叶轮等，高速颗粒频繁冲击造成表面剥离与冲蚀坑。实际应用中，多类工况往往耦合，协同加速性能退化。

2.2 极端工况对高耐磨合金铸件的影响机制

极端工况通过环境与载荷耦合，从微观、力学及表面三维度诱发劣化。高温机制为组织劣化与热应力累积，高温加速原子运动使晶粒粗大、强化相分解，降低硬度，表面氧化膜在载荷下脱落形成“氧化 - 磨损”循环，不均匀热膨胀产生周期热应力并累积引发裂纹。低温机制核心是脆化与冷冲击，低温使晶格收缩、韧性剧降诱发脆断，冰雪冲击产生瞬时应力与微裂纹，温度循环导致反复胀缩累积疲劳应力。高载荷机制聚焦应力集中与磨损，高接触剪切应力致局部塑性变形，高频载荷累积损伤扩展裂纹，高载荷增大摩擦系数，磨损加剧应力集中形成失效闭环。强腐蚀机制本质是化学破坏与载荷协同，介质破坏钝化膜并渗透致内部疏松，腐蚀降低强韧性，载荷裂纹加速介质渗透形成“腐蚀 - 载荷”耦合损伤。高冲蚀机制主要是机械剥离，瞬时冲击力致表面断裂形成冲蚀坑，颗粒滑动扩大损伤，长期冲蚀减薄壁厚降低刚度直接导致故障。

三、高耐磨合金铸件在极端工况下的失效形式及失效机理

结合极端工况对铸件的影响机制，铸件失效形式多样且多协同发生。本章明确铸件主要失效形式，重点剖析核心失效机理，为后续性能评价与优化设计提供靶向依据。

3.1 主要失效形式分类

铸件失效主要分为五类，工程中多呈耦合特征。一是磨损失效，这是最普遍形式，因摩擦、冲蚀或腐蚀使表面材料脱落，致尺寸超差、功能丧失，包括磨粒、粘着、冲蚀及腐蚀磨损。二是疲劳开裂失效，多见于高载荷及变温工况，在周期性载荷下损伤累积、裂纹扩展直至断裂，涵盖机械、热及冷疲劳。三是腐蚀失效，在强腐蚀环境中占主导，因化学或电化学反应使表面破坏、内部疏松，最终穿孔或性能剧降，分为化学、电化学及点蚀。四是高温变形与开裂，仅在高温工况出现，高温使组织劣化、塑性增加，在载荷与热应力叠加下发生变形及氧化开裂，丧失精度与承载力。五是低温脆断失效，仅在低温工况出现，低温使韧性骤降、脆性激增，受载时无明显塑性变形即断裂，危害大。

3.2 核心失效机理剖析

失效本质是微观结构、力学性能及表面状态协同劣化，重点剖析以下三类机理。

3.2.1 磨损失效机理：核心是机械剥离与化学劣化协同。磨粒磨损由硬质颗粒切削刮擦移除材料，冲击载荷加剧微裂纹扩展；粘着磨损因高载荷破坏表面膜，金属接触形成粘着点，剪切断裂后材料转移成磨粒加剧磨损；冲蚀磨损源于高速颗粒撞击致表面塑性变形与断裂，形成冲蚀坑并扩大损伤；腐蚀磨损中，介质生成松散产物，摩擦使新鲜基体暴露，腐蚀与磨损相互促进加速流失。

3.2.2 疲劳开裂失效机理：核心是损伤累积与裂纹扩展，分四阶段：应力集中区产生微观损伤；累积至临界值萌生微裂纹；周期载荷与环境因素加速裂纹延伸，性能显著下降；裂纹达临界尺寸致瞬时断裂，断口可见疲劳辉纹。机械疲劳源于交变应力，热疲劳源于热应力，冷疲劳叠加低温脆化效应。

3.2.3 腐蚀失效机理：核心是化学或电化学侵蚀引发恶性循环。化学腐蚀是腐蚀性气体反应生成疏松产物脱落，消耗基体并向内渗透；电化学腐蚀在电解质液中形成微电池，加速阳极溶解与阴极去极化；点蚀是介质在缺陷处聚集形成深坑，引发应力集中，诱发疲劳或应力腐蚀开裂，隐蔽性与破坏性高。

四、高耐磨合金铸件服役性能评价指标与材料筛选

4.1 极端工况下服役性能核心评价指标

结合工况特征与失效机理，构建兼顾核心与辅助性能的完整评价体系。耐磨性方面，重点考察磨损量、耐磨硬度及磨损失效寿命，直接决定铸件寿命。抗疲劳性关乎结构安全，核心指标为疲劳强度、疲劳寿命及裂纹扩展速率。耐高低温性分为两类：耐高温关注高温硬度、强度及抗氧化性；耐低温则侧重冲击韧性、硬度及脆化温度。抗腐蚀性通过腐蚀速率、腐蚀深度及点蚀敏感性来衡量。此外，抗拉强度、冲击韧性等力学性能保障承载能力，铸造与加工等工艺性能则确保制造可行性与成本控制。

4.2 极端工况适配型高耐磨合金材料筛选

材料筛选遵循性能适配、协同兼顾、工艺可行及经济性原则，涵盖三类主流材料。耐磨合金钢中，高锰钢抗冲击强但耐温耐蚀差，适高冲击工况；高铬合金钢综合性能优，兼具耐磨耐热耐蚀，是重点，适常规严苛工况；低合金钢成本低、韧性好，仅适常规工况。耐磨铸铁硬度高、成本低，高铬铸铁适中高温磨粒磨损，镍硬铸铁性能优但加工难，球墨铸铁仅适温和工况。金属基复合材料中，铁基性价比高，适超严苛工况，铝钛基性能强但成本高，仅限高端小型件。综合筛选结果：常规严苛工况选高铬合金钢；高冲击高载荷选高锰钢；中高温低冲击选高铬铸铁；超严苛高端装备选铁基复合材料；常规温和工况选低合金钢或球墨铸铁。针对重点材料高铬合金钢进行成分优化：铬含量调至12%-18%，形成致密氧化膜提升耐热耐蚀性；碳含量控在2.0%-3.0%，生成高硬碳化物增强耐磨性并避免韧性剧降；添加1.0%-2.0%钼与0.5%-1.0%钒细化晶粒、强化基体，提升抗疲劳与高温强度；微量镍改善韧性，降低低温脆化风险，适配复合极端工况。

五、高耐磨合金铸件结构与制造工艺优化设计

在材料优化的基础上，优化铸件结构与制造工艺，可进一步提升服役性能、减少失效。本章结合极端工况需求与铸件失效机理，优化结构与工艺，结合典型铸件验证优化效果。

5.1 结构优化设计

结构优化核心是减少应力集中、提升载荷分布均匀性、增强抗环境侵蚀能力，遵循轻量化、一体化、圆角过渡原则，具体优化措施如下：

一是减少应力集中结构，将铸件拐角、孔洞等部位设计为圆角过渡，圆角半径不小于5mm，避免直角、尖角结构；孔洞部位增加加固凸台，降低应力集中系数，减少裂纹产生隐患。

二是优化载荷分布结构，根据极端工况载荷特点，采用等强度设计，增厚受力集中部位壁厚，减薄非受力部位壁厚，确保载荷均匀分布；对于高冲蚀、高磨损部位，设计耐磨凸台或加厚层，提升局部耐磨性。

三是增强抗环境侵蚀结构，强腐蚀、高冲蚀工况下，铸件表面设计导流结构，减少腐蚀性介质、冲蚀颗粒的附着与冲击；高温工况下，设计散热结构，降低铸件表面温度，减少热应力累积；低温工况下，优化结构对称性，减少温度波动产生的热应力。

四是一体化结构设计，减少铸件拼接焊缝，采用一体化铸造工艺，避免焊缝处应力集中与腐蚀渗透，提升结构完整性与密封性，减少失效隐患。

5.2 制造工艺优化设计

针对传统铸造工艺缺陷，结合优化后的材料成分与结构，优化制造工艺，重点控制铸件内部缺陷、提升表面质量，具体措施如下：

5.2.1 铸造工艺优化：摒弃传统砂型铸造，采用消失模铸造，提升尺寸精度与表面质量，减少内部缺陷；优化浇注系统，采用底注式浇注，控制浇注温度（高铬合金钢1520℃ - 1580℃）与速度，避免气孔、夹渣及成型不良；采用保温冒口，延长凝固时间，减少缩孔、缩松，确保质地均匀。

5.2.2 热处理工艺优化：核心是细化晶粒、强化基体、提升综合性能。高铬合金钢优化后工艺为：淬火温度950℃ - 1050℃，保温2 - 3小时，油冷淬火；回火温度200℃ - 300℃，保温3 - 4小时，空冷至常温，提升韧性与硬度，平衡耐磨与抗疲劳性能。

5.2.3 表面强化工艺优化：针对极端工况下铸件表面问题，增加强化工艺。高磨损、高冲蚀工况，等离子喷涂陶瓷涂层（0.3 - 0.5mm），提升硬度与耐磨性；强腐蚀工况，镀铬处理，提升抗腐蚀性能；高温工况，氧化处理，增强耐高温氧化能力。

5.3 典型铸件优化验证——以轧机轧辊为例

选取冶金轧机轧辊作为典型铸件，其服役于高温、高载荷、高磨损复合极端工况，易出现磨损、热疲劳开裂失效，采用上述材料、结构、工艺优化方案，验证优化效果。

5.3.1 轧辊优化方案

材料优化：采用优化后的高铬合金钢，成分调整为Cr15%、C2.5%、Mo1.5%、V0.8%、Ni0.6%，其余为Fe，提升综合性能；结构优化：将轧辊端部拐角设计为R8mm圆角，辊身表面增加5mm耐磨凸台，优化载荷分布，减少应力集中；工艺优化：采用消失模铸造，浇注温度1550℃，保温冒口保温，淬火温度1000℃、回火温度250℃，辊身表面采用等离子喷涂陶瓷涂层。

5.3.2 优化效果验证

对比优化前后轧辊的服役性能：优化后轧辊表面硬度提升30%，高温强度提升25%，抗腐蚀性能提升40%；磨损失效寿命从原来的300小时延长至750小时，疲劳寿命提升60%；服役过程中，无明显变形、开裂、腐蚀现象，能够稳定承受高温、高载荷、高磨损复合工况，大幅降低了轧机维护成本与停机损失，验证了优化方案的有效性与实用性。

六、结论与展望

6.1 结论

本文经理论分析，系统研究高耐磨合金铸件在极端工况下的服役性能，提出材料、结构、工艺协同优化方案，结论如下：

1. 机电领域极端工况分高温、低温、高载荷、强腐蚀、高冲蚀五类，多为复合工况，通过破坏铸件微观结构等加速失效，不同工况影响机制差异显著。

2. 高耐磨合金铸件极端工况主要失效形式为磨损失效等，多协同发生，核心失效机理是材料机械剥离等，各类机理相互叠加。

3. 建立的铸件服役性能评价指标体系，包含核心与辅助指标，可判断铸件与极端工况适配性，为材料筛选等提供依据。

4. 筛选适配不同极端工况的核心材料，优化高铬合金钢成分，结合结构与工艺优化，可提升铸件综合性能，轧辊优化验证方案可行。

6.2 展望

随着机电装备向更严苛环境升级，高耐磨合金铸件性能需求提升，未来可从三方面深入研究：一是结合数值模拟技术，精准模拟极端工况下铸件应力分布与失效过程，提升优化设计精准度；二是研发新型高性能金属基复合材料，突破现有材料性能瓶颈，兼顾性能与经济性并规模化应用；三是探索智能化制造工艺，结合物联网等技术，实时监测铸件制造与服役状态，预判失效风险，延长服役寿命。

参考文献

[1] 谷洋. 铁合金铸件耐磨性能的强化机制及优化策略研究[J]. 中国金属通报,2024(22):137-139.

[2] 赵韩,朱仁胜,刘四洋,等. 高铬合金耐磨铸件空淬最佳工艺参数研究[J]. 机械设计与制造,2016(3):22-25.

[3] 笪强,马国政,康嘉杰,等. 耐磨耐蚀高熵合金涂层性能研究进展[J]. 材料导报,2024,38(24):192-201.

[4] 刘龙翔,倪陈兵,王优强,等. 基于表面微织构的钛合金摩擦学性能研究进展[J]. 表面技术,2025,54(2):52-69.