幾種新型的耐磨材料

幾種新型的耐磨材料 摩擦和磨損是與機械設(shè)備整個運轉(zhuǎn)系統(tǒng)有關(guān)的復(fù)雜過程，影響因素很多，相應(yīng)地減少摩擦和提高耐磨性的措施也是多方面。然而，摩擦和磨損畢竟是發(fā)生在材料的表面層，因此，材料本身的特性是一個最基本的影響因素。隨著科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，機械設(shè)備的運轉(zhuǎn)速度越來越高，受摩擦的零件被磨損的速度也越來越快，其使用壽命越來越成為影響現(xiàn)代設(shè)備（特別是高速運轉(zhuǎn)的自動生產(chǎn)線）生產(chǎn)效率的重要因素。一 國外耐磨材料應(yīng)用情況經(jīng)過30余年研究與發(fā)展的高峰期，國外耐磨材料的生產(chǎn)、應(yīng)用已趨于穩(wěn)定，發(fā)達(dá)國家已有自己的系列產(chǎn)品和國家標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)歷了從高錳鋼、普通白口鑄鐵、鎳硬鑄鐵到高鉻鑄鐵的幾個階段，目前已發(fā)展為耐磨鋼、耐磨鑄鐵兩大類。耐磨鋼除了傳統(tǒng)的奧氏體錳鋼及改性高錳鋼、中錳鋼以外，從其含量的不同可分為中碳、中高碳、高碳合金耐磨鋼；從合金元素的含量又可分為低合金、中合金及高合金耐磨鋼；從組織的不同可分為奧氏體、貝氏體、馬氏體耐磨鋼。耐磨鑄鐵中的普通白口鐵、低碳白口鑄鐵已近淘汰，代之以低合金白口鑄鐵和高合金白口鑄鐵兩大類。二者中最具有代表性的是低鉻白口鑄鐵和高鉻白口鑄鐵。由于地球上的鉻資源遠(yuǎn)大于鎳，且價格較便宜，至今這兩種材料已在耐磨鑄鐵中占有主導(dǎo)地位，從資源成本和耐磨性等方面考慮，鎳硬鑄鐵的地位已在減弱。馬氏體或貝氏體、馬氏體組織的球墨鑄鐵在制作小截面耐磨件方面也占有一席之地。中鉻鑄鐵則應(yīng)用較少。人們常說的高鉻鑄鐵實際上是指高鉻鉬白口鑄鐵，從含碳量可分為Cr15及Cr20 兩類，前者用于承受一般沖擊磨損，后者用于高沖擊磨損及厚度較大的耐磨件。含鉻量為30%級以上的高鉻鑄鐵則用于耐熱、耐磨或耐腐蝕的工作。從整體上看合金白口鑄鐵的耐磨性優(yōu)于耐磨鑄鋼，但后者韌性好，在諸如襯板（用于混凝土攪拌機上）、耐磨管道等方面有著廣泛的應(yīng)用。國外耐磨鑄鋼有的使用極細(xì)珠光體組織，其硬度只有30HRC左右，但韌性很好，沖擊功為Ak=80J以上。用來制作磨損不嚴(yán)重的工件，如雙進(jìn)雙出球磨機襯板，其含量在0.70%0.75%左右，少量的合金元素可細(xì)化珠光體組織，但在制作襯板時其耐磨性很低（年磨損量達(dá)10mm/年）。用于大直徑高沖擊的礦用球磨機襯板，國外的含碳量從0.3%起至1.0%以上，合金元素含量從低、中到高合金。近年來發(fā)展了中高碳合金耐磨鋼，旨在提高耐磨鋼的硬度，合金元素主要是滿足淬透性的需要。國外與國內(nèi)所不同之處就是我國高碳、中高碳合金耐磨鋼較少，其原因在于我國的冶煉、鑄造、熱處理工藝水平落后，不敢提高含碳量和合金含量。例如國外大型礦山磨機可使用高碳中合金耐磨鋼襯板，又如電廠大型球磨機的高碳鋼（含微量合金元素）鍛球，其碎球率為0，硬度為5560HRC。雖然國外耐磨材料的生產(chǎn)和應(yīng)用已趨于穩(wěn)定，但科學(xué)研究并未停步，除了基礎(chǔ)理論研究外，在應(yīng)用研究方面，金屬陶瓷、粉末冶金材料、有機材料及復(fù)合材料以快速發(fā)展起來，在個別方面有取代金屬材料的勢頭。二 對幾種新型耐磨材料的簡介 1. 硬質(zhì)合金/鑄鋼新型復(fù)合耐磨材料人們在研制各種新型金屬耐磨材料的同時，也在選用硬質(zhì)合金制作易磨損的結(jié)構(gòu)零件（即易磨損件），并已取得了很好的效果。用于制作易磨損件的硬質(zhì)合金高速增長的主要原因是：第一，用其制作的易磨損件的使用壽命是用其他金屬耐磨材料制作的易磨損件的幾倍、幾十倍、甚至上百倍。然而硬質(zhì)合金硬度高，脆性也大，用其制作的易磨損件往往在尚未達(dá)到預(yù)期的使用壽命時，就因破損、斷裂等早期失效；第二，硬質(zhì)合金是脆性材料，不能用于制作受沖擊力大的易磨損件；第三，硬質(zhì)合金造價高、一次性投資大，許多潛在用戶相用而用不起。因此，硬質(zhì)合金用作易磨損件受到一定的限制。事實上，絕大多數(shù)易磨損件只有部分表面為工作面，工作面的有效厚度也只在很小的范圍（0.0210mm）內(nèi)，在運轉(zhuǎn)過程中因工作面磨損過度，尺寸超差時就失效報廢。如果易磨損件的工作面的有效厚度（或大于有效厚度）部分為硬度高、耐磨性好的昂貴材料硬質(zhì)合金，其余部分為強度高、韌性好的廉價材料鑄鋼，兩者冶金結(jié)合時，這種疊層復(fù)合材料就具有硬質(zhì)合金的高硬度、高耐磨性和鋼的高強度、高韌性兩者的優(yōu)良性能，克服了兩者的弱點。這種材料就是硬質(zhì)合金/鑄鋼復(fù)合耐磨零件。將一定形狀的硬質(zhì)合金塊經(jīng)預(yù)處理后固定在金屬型腔內(nèi)指定的位置上，利用澆入鋼液的熱量使其與鋼液接觸的表面呈半熔融狀態(tài)，凝固后在硬質(zhì)合金和鋼之間形成一個互溶的過渡區(qū)。通過這種冶金結(jié)合，可獲得復(fù)合耐磨制件毛坯。這種之間具有兩種材料的長處，因此可廣泛應(yīng)用于冷熱沖壓模具、粉末冶金模具、軋制金屬的軋輥、機械設(shè)備的耐磨件、受沖擊力較大的易磨損件及刃具、刀具、量具等。于硬質(zhì)合金件比較，可節(jié)約硬質(zhì)合金40%以上，生產(chǎn)成本降低25%以上，而且使用壽命還有所提高。2. 鋁基高強度耐磨材料 由于鋁硅合金在力學(xué)性能、鑄造性能方面存在一系列優(yōu)點，所以是目前應(yīng)用最廣泛的一類鑄造鋁合金。目前應(yīng)用最廣泛的鋁硅合金大致分為兩類，一類是共晶和亞共晶型鋁硅合金，這類鋁硅合金的含硅量一般在5%-10%左右，這類合金具有一定的機械強度，延伸率一般在2%左右，常用于制造工作負(fù)荷、工作溫度不大的機械零件，經(jīng)過合金強化后也可用作活塞材料。另一類是近年發(fā)展起來的過共晶硅合金，這類合金含硅量在17%-26%之間，具有熱膨脹系數(shù)小，密度、體積穩(wěn)定性好，導(dǎo)熱能力強，耐磨和耐腐蝕等特點，但其常溫機械性能較差，特別是延伸率，一般僅在1%左右。目前在國內(nèi)，這類合金主要作為摩托車、汽車發(fā)動機活塞的試用材料。經(jīng)實驗研究，已初步研制出一種新型的高強度耐磨鋁硅合金，這種合金具有比共晶、亞共晶鋁硅合金更高的常溫機械性能，又具有過共晶鋁硅合金耐磨、耐腐蝕、高溫性能好等一系列優(yōu)點?？赏诤娇铡⒑教?、汽車、造船等工業(yè)領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。為獲得要求性能，在合金成分的設(shè)計上，考慮以鋁為基礎(chǔ)，添加Si、Cu、Mg、Ti、Mg等合金元素。綜合考慮，合金的硅含量在15%范圍內(nèi)為宜。銅鎂比為12%左右性能最佳。一般情況下，合金的鈦含量控制在0.2%左右，錳的加入量為0.3%左右。該合金屬于過共晶鋁硅合金，組織中同時存在著針狀共晶硅和為數(shù)不少的初晶硅。因此，為了使該合金具有所要求的性能，必須進(jìn)行雙向變質(zhì)處理。使用SX-1號雙相變質(zhì)劑不僅對初晶硅有良好的細(xì)化作用，而且對攻晶硅有穩(wěn)定的變質(zhì)效果，加入量一般在2%左右即可獲得滿意的效果。同時，該變質(zhì)劑還具有變質(zhì)作用時間長，有重熔性能等一系列優(yōu)點，這對滿足批量生產(chǎn)過程要求，提高經(jīng)濟效益都有十分積極的意義。實驗證明，新型高強度耐磨鋁硅合金通過使用SX-1號雙相變質(zhì)劑進(jìn)行處理和熱處理措施可以具有比共晶、亞共晶型鋁硅合金更好的常溫機械性能，又具有比過共晶型鋁硅合金耐磨、耐蝕、高溫性能好等一系列優(yōu)點，是一種很有發(fā)展前途的新型合金，可望在機械工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。3. 新型多相鐵基耐磨材料 在潤滑不良或干摩擦等惡劣條件下工作的機械零部件，要求同時具有優(yōu)異的耐磨、自潤滑、導(dǎo)熱及減震性能。球墨鑄鐵由于含有石墨球而具有優(yōu)良的自潤滑、熱傳導(dǎo)及減震性能和優(yōu)異的機械性能。但由于其硬度低、耐磨性差，利用激光束對球墨鑄鐵進(jìn)行表面快速熔化/凝固處理，在工作表面獲得硬質(zhì)耐磨的快速凝固萊氏體型白口鑄鐵組織，使耐磨性大幅度提高，同時卻犧牲了石墨相優(yōu)異的自潤滑、熱傳導(dǎo)等性能。顯然，若能在耐磨性優(yōu)異的快速凝固萊氏體組織中彌散分布以適量細(xì)小石墨相，在潤滑不良機干摩擦條件下竟會有很好的摩擦學(xué)性能。遺憾的是，由于在快速凝固條件下鑄鐵熔體完全按Fe-Fe3C亞穩(wěn)系快速凝固形成萊氏體型白口組織，不能獲得上述新材料。但值得注意的是，球墨鑄鐵激光重熔快速凝固組織中硬質(zhì)共晶滲碳體是不穩(wěn)定的亞穩(wěn)相（只要相變動力學(xué)條件適合，它將會迅速向其熱力學(xué)穩(wěn)定相石墨轉(zhuǎn)化），顯然，只需對球墨鑄鐵激光快速凝固組織進(jìn)行簡單的熱處理，使共晶滲碳體部分地石墨化并控制其相變過程，即可制得既含硬質(zhì)耐磨快速凝固共晶滲碳體又含彌散超細(xì)石墨的多相鐵基新型耐磨材料。球墨鑄鐵激光表面重熔快速凝固組織由少量初生奧氏體樹枝晶及滲碳體/奧氏體共晶組成，其中奧氏體相在快速凝固后的冷卻過程中大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)針狀馬氏體，這種快速凝固組織的顯微硬度約為950HV。在750C退火后，滲碳體迅速石墨化，從而成功制出了既含硬質(zhì)耐磨共晶滲碳體又含彌散石墨的耐磨材料。4. 新