金屬耐磨材料

金屬耐磨材料隨著國民經(jīng)濟的深入發(fā)展，新技術(shù)，新設(shè)備，新材料越來越為人們所關(guān)注。據(jù)我國冶金、建材、電力、農(nóng)機、煤炭等五個系統(tǒng)的統(tǒng)計加上機械部門汽車、拖拉機、工程機械的不完全統(tǒng)計，我國每年消耗金屬耐磨材料約達(dá)300萬噸以上。那么，何謂耐磨材料？又有哪些材料屬于金屬耐磨材料呢？筆者將會細(xì)細(xì)道來。一、 耐磨材料簡介耐磨材料是一大類具有特殊電、磁、光、聲、熱、力、化學(xué)以及生物功能的新型材料，亦是信息技術(shù)、生物技術(shù)、能源技術(shù)等高技術(shù)領(lǐng)域和國防建設(shè)的重要基礎(chǔ)材料，同時也對改造某些傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，如農(nóng)業(yè)、化工、建材等起著重要作用。材料的耐磨性不僅取決于材料的硬度hm,而且最重要的決定于材料的硬度hm和磨料的硬度ha的比值，當(dāng)hm/ha的比值超過一定值后，其磨損量便會迅速降低。當(dāng)hm/ha比值＜0.5-0.8時為硬磨料磨損，此時增加材料的硬度對材料的耐磨性增加不大；當(dāng)hm/ha比值＞0.5-0.8時為軟磨料磨損，此時增加材料的硬度，便會迅速提高材料的耐磨性。二、 金屬耐磨材料種類經(jīng)過改革開放30多年的風(fēng)雨洗禮，針對我國設(shè)備磨損的具體工作條件和國內(nèi)資源情況，我國廣大科技工作者與生產(chǎn)實踐相結(jié)合，研制出了多種新型耐磨材料。大體分兩大類:耐磨鋼和耐磨鑄鐵；四大系列:改性高錳鋼、中錳鋼、超高錳鋼系列；高、中、低碳耐磨合金鋼系列；銘系抗磨白口鑄鐵系列；錳系、硼系抗磨白口鑄鐵及馬氏體、貝氏體抗磨球墨鑄鐵等。高錳鋼(highmanganesesteel)高錳鋼ZGMn13作為歷史最悠久的一種耐磨材料，范指含錳量在10%以上的合金鋼。這類鋼含錳量為10%?15%，碳含量一般為0.90%?1.50%，大部分在1.0%以上。其化學(xué)成分為(%):C0.90?1.50Mn10.0?15.0Si0.30?1.0S^0.05P^0.10高錳剛Mn13的鑄態(tài)組織通常是由奧氏體、碳化物和珠光體所組成，有時還含有少量的磷共品。碳化物數(shù)量多時，常在晶界上呈網(wǎng)狀出現(xiàn)。因此鑄態(tài)組織的高錳鋼很脆，無法使用，需要進(jìn)行固溶處理。通常這類高錳鋼的用量最多，常用來制作挖掘機的鏟齒、圓錐式破碎機的軋面壁和破碎壁、顎式破碎機岔板、球磨機襯板、鐵路轍岔、板錘、錘頭等。高錳鋼Mn13極易加工硬化，因而很難加工，絕大多數(shù)是鑄件，極少量用鍛壓方法加工。高錳鋼的鑄造性能較好。鋼的熔點低(約為1400°C)，鋼的液、固相線溫度間隔較小，(約為50C)；鋼的導(dǎo)熱性低，因此鋼水流動性好，易于澆注成型。高錳鋼的線膨脹系數(shù)為純鐵的1.5倍，為碳素鋼的2倍，故鑄造時體積收縮和線收縮率均較大，容易出現(xiàn)應(yīng)力和裂紋，因此，鑄造工藝時要格外注意。中錳鋼(middlemanganesesteel)中錳鋼經(jīng)過水韌處理后的組織為奧氏體基體，但有較多的碳化物，加入鉬可以抑制鑄態(tài)中的碳化物組織的析出。與Mn13相比，中錳鋼的含錳量下降，奧氏體穩(wěn)定性下降，在非強烈沖擊下耐磨性高于標(biāo)準(zhǔn)Mn13約20-30%；而對于厚大斷面的Mn13鑄件，水韌處理后內(nèi)部常出現(xiàn)碳化物而使韌性下降，低溫下Mn13也常出現(xiàn)脆斷，同時耐磨性也嫌不足，屈服強度低，而Mn18超高錳則在一定程度上解決了上述問題。超高錳鋼（supermanganesesteel）超高錳鋼Mn18近年來，人們已開始著手對具有穩(wěn)定奧氏體組織的超高錳鋼進(jìn)行研究，主要是想在普通高錳鋼標(biāo)準(zhǔn)成分的基礎(chǔ)上通過提高碳、錳含量來達(dá)到改善錳鋼組織，提高耐磨性的目的。研究人員通過對Fe-C-Mn合金奧氏體的價電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在含C、Mn原子的一個奧氏體品胞內(nèi)，C-Mn之間的結(jié)合力大于C-Fe之間的結(jié)合力。這樣，錳原子可通過對碳原子運動的拖曳提高碳的固溶度，而且利用錳不易和碳原子生成碳化物，來降低碳原子的擴散能力，抑制碳化物的析出。因此，同時提高碳、錳含量，不但可以提高錳鋼的加工硬化能力，而且可保持高韌性的奧氏體組織，使其在使用時具有良好的耐磨性。2.1耐磨合金剛耐磨合金剛指為滿足特定的性能要求而有目的的加入其它元素，諸如銘（Cr）、竦（Ni）、鉬（Mo）、銅（Cu）、硅（Si）、錳（Mn）、釩（V）、鈦（Ti）、稀土（Re）、鎢（W）、硼/）甚至有些有害元素如硫（S）、磷（P）等的鋼材。耐磨合金鋼以化學(xué)成分元素含量的多少分為三類：第一類耐磨合金鋼，合金元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過5%，即低碳耐磨合金鋼；第二類耐磨合金鋼，合金元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%-10%，即中碳耐磨合金剛；第三類，耐磨合金鋼，合金元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10%，即高碳耐磨合金鋼。2.2低合金耐磨鋼低合金耐磨鋼以高強韌性、高硬韌性著稱。其強度和硬度高于耐磨錳鋼而在非大沖擊磨損工作條件下可替代錳鋼；其塑、韌性高于耐磨鑄鐵，而在一定沖擊載荷的磨損工作狀況下，使用壽命高于耐磨鑄鐵。碳鋼的耐磨性主要是借表面硬化而獲得的。W（C）＞0.35%的碳鋼，通常采用表面感應(yīng)淬火或火焰淬火；低碳鋼則可用滲碳、滲氮或碳氮共滲等工藝提高耐磨性。隨著硬度的提高，其耐磨性也相應(yīng)增強。在耐磨碳鋼中，W（C）=0.4%-0.70%的碳鋼占有重要地位，美國的鑄鋼火車輪就是用W（C）=0.4%-0.70%的碳鋼制造的。2.3超高碳共析鋼超高碳共析鋼當(dāng)屬鑄造石墨鋼，即經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗?，其中的一部分碳以石墨的形式析出，因而具有鑄鋼和鑄鐵的綜合性能。由于存在游離石墨，這種鋼是一種耐磨擦磨損的結(jié)構(gòu)材料?，F(xiàn)今石墨鋼多用于制造冶金軋輥，如初軋或粗軋作業(yè)的軋輥，因為少量的石墨可以提高軋輥的抗熱裂性能和抗氧化鐵皮粘附性3.1鉻系抗磨白口鑄鐵銘系抗磨白口鑄鐵系列按照銘含量的多少分為低銘、中銘、高銘、竦硬抗磨白口鑄鐵。其主要零部件有磨球、襯板、錘頭，高銘渣漿泵過流件，以及高銘鑄鐵與鋼雙金屬復(fù)合鑄造襯板、磨輥、軋輥等，為提高高銘白口鑄鐵的耐磨性和使用可靠性，在高銘鑄鐵中加3%?5%的釩,形成高硬度的VC星型碳化物。3.11高鉻鑄鐵高銘鑄鐵的耐磨性最好，應(yīng)用最廣。如中小型磨機襯板，小型破碎機錘頭和板錘，立磨輥和磨盤等，大型磨機前配置了滾壓機后，高銘鑄鐵即可揚長避短，充分發(fā)揮其優(yōu)異的耐磨性，襯板使用壽命可達(dá)8年以上。3.12低鉻鑄鐵低銘鑄鐵的硬度、韌性均大大低于高銘鑄鐵，主要應(yīng)用于細(xì)磨倉襯板，雖然生產(chǎn)成本低，但應(yīng)用范圍窄，綜合性能和抗磨指標(biāo)一般。3.13鎳硬鑄鐵竦硬鑄鐵主要應(yīng)用于立磨輥和磨盤，由于其硬度韌性均遜于高銘鑄鐵，生產(chǎn)成本偏高，已逐漸退出耐磨材料市場。3.14中鉻鑄鐵中銘鑄鐵僅用于鑄球，隨著銘含量降低，既降低了生產(chǎn)成本，又滿足球的破碎率指標(biāo)，市場中仍稱之為高銘球。4.1錳系、硼系抗磨白口鑄鐵錳系白口鑄鐵分中錳(5%?6%),高錳(7%?11%)兩類。類似的，硼系白口鑄鐵分高碳低硼和低碳高硼兩類，采用不同熱處理工藝，得到相應(yīng)的性能，曾由日本專家提出加硼改變高銘鑄鐵的碳化物形態(tài)，少量硼形成高硬度的硼化物，顯著提高其抗磨白口鑄鐵的耐磨性。國內(nèi)寧國耐磨材料廠研制Cr26BW高銘耐磨鑄鐵，也取得良好效果。前蘇聯(lián)高銘錳白口鑄鐵(215%?312%C,1210%?1510%Cr,315%?510%Mn)淬透性可達(dá)200mm,硬度HRC60?63,可用于制造泵件和磨機襯板。4.2馬氏體、貝氏體抗磨球墨鑄鐵球墨鑄鐵具有優(yōu)良的力學(xué)性能，且具有良好的耐磨性和抗沖擊疲勞性能。自20世紀(jì)40年代研制成功以來，世界球鐵產(chǎn)量已達(dá)百萬噸以上，在汽車、農(nóng)機和建材等部門得到了廣泛應(yīng)用。近年來許多單位研制出馬氏體基體、奧貝基體、馬貝基體的磨球、襯板，在建材、電力行業(yè)應(yīng)用取得良好效果。我國自行開發(fā)的低合金白口鑄鐵,成本低，性能良好，在中、小沖擊負(fù)荷下