耐磨金屬材料的最新研究進(jìn)展

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引言隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的運(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)的自動(dòng)生產(chǎn)線)生產(chǎn)效率的重要因素。盡管材料磨損很少引起金屬工件災(zāi)難性的危害，但其所造成的能源和材料消耗是十分驚人的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界工業(yè)化發(fā)達(dá)的國家約30%的能源是以不同形式消耗在磨損上的。如在美國,每年由于摩擦磨損和腐蝕造成的損失約1000億美元，占國民經(jīng)濟(jì)總收入的4%。而我國僅在冶金、礦山、電力、煤炭和農(nóng)機(jī)部門，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年由于工件磨損而造成的經(jīng)濟(jì)損失約400億元人民幣[1]。因此，研究和發(fā)展耐磨材料，以減少金屬磨損，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要的意義。1
國外耐磨金屬材料的發(fā)展

國外耐磨材料的生產(chǎn)和應(yīng)用經(jīng)過了多年研究與發(fā)展的高峰期，現(xiàn)已趨于穩(wěn)定，并有自己的系列產(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(gè)階段，目前已發(fā)展為耐磨鋼和耐磨鑄鐵兩大類。

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，根據(jù)其含量的不同可分為中碳、中高碳、高碳合金耐磨鋼；根據(jù)合金元素的含量又可分為低合金、中合金及高合金耐磨鋼；根據(jù)組織的不同還可分為奧氏體、貝氏體、馬氏體耐磨鋼。而耐磨鑄鐵主要包括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，而且這兩種材料目前在耐磨鑄鐵中占有主導(dǎo)地位。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。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、耐磨管道等方面有著廣泛的應(yīng)用[2]。

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, Z9 ?6 }7 j3 D8 ^9 D我國耐磨金屬材料的發(fā)展

　　據(jù)統(tǒng)計(jì),國內(nèi)每年消耗金屬耐磨材料約達(dá)300萬噸以上，應(yīng)用摩擦磨損理論防止和減輕摩擦磨損,每年可節(jié)約150億美元。近年來,針對(duì)設(shè)備磨損的具體工況和資源情況,研制出多種新型耐磨材料。主要有改性高錳鋼、中錳鋼、超高錳鋼系列,高、中、低碳耐磨合金鋼系列,鉻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,不同方法生產(chǎn)的雙金屬復(fù)合耐磨材料,表面技術(shù)處理的耐磨材料等。同時(shí)，在耐磨材料生產(chǎn)工藝設(shè)備上先后從日本、德國、比利時(shí)等國引進(jìn)數(shù)條機(jī)械化自動(dòng)化生產(chǎn)線。在引進(jìn)基礎(chǔ)上結(jié)合國情，發(fā)展了消失模鑄造工藝設(shè)備、金屬型覆砂工藝設(shè)備、擠壓造型工藝設(shè)備、離心鑄造工藝設(shè)備等新技術(shù)新設(shè)備等新型工藝設(shè)備。熔煉工藝上采用爐外精煉與連鑄等新技術(shù),使產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量、外觀質(zhì)量和性能都得到明顯提高,同時(shí)，金屬消耗也大幅度降低,一些廠家產(chǎn)品已達(dá)到或超過國際水平,出口東南亞、日本、南非、美國、澳大利亞等地,取得了良好的效益[3]。

耐磨材料的生產(chǎn)和應(yīng)用已趨于穩(wěn)定，但對(duì)基礎(chǔ)理論和應(yīng)用的科學(xué)研究仍在繼續(xù)，還有更多的新型耐磨金屬材料需要去探求。

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幾種耐磨金屬材料的最新研究進(jìn)展3.1　錳鋼

1.高錳鋼

高錳鋼作為歷史最悠久的一種耐磨材料，其成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))范圍為：ｗ(C)=0.9%～1.4%，ｗ(Mn)=l0%～15%，ｗ(Si)= 0.3%～0.8%，ｗ(S) ≤0.05%，ｗ(P) ≤0.10%。

高錳鋼使用狀態(tài)的組織為奧氏體，它具有良好的韌性和加工硬化能力。即在

強(qiáng)烈的沖擊載荷或擠壓載荷下，受力表面被加工硬化,硬度可從原始的200HB左右提高到500HB以上，而心部仍保持著良好的韌性。高錳鋼的這種建筑在加工硬化基礎(chǔ)上的優(yōu)異的耐磨性能使它的使用受到限制，因此，要擴(kuò)大高錳鋼的應(yīng)用范圍,必須對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)性研究，進(jìn)一步提高其耐磨性[4-6]
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目前，在高錳鋼研究方面取得了一系列新進(jìn)展，主要有：

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, m! Y- m$ h6 v采用合金化的方法，添加Cr、Mo引起固溶強(qiáng)化，加入鈦形成碳化鈦,可引起彌散強(qiáng)化,并能細(xì)化結(jié)晶組織，最終達(dá)到強(qiáng)化基體，提高其耐磨性和屈服強(qiáng)度的目的。實(shí)驗(yàn)表明，用這些方法加工出的用于冶金礦山的襯板，其使用壽命比高錳鋼提高50%～70%。工藝方面，采用鑄后利用余熱淬化的手段來替代傳統(tǒng)上使用加熱再進(jìn)行水韌處理的方法,不但能簡(jiǎn)化工藝，節(jié)約能源，縮短生產(chǎn)周期，而且經(jīng)濟(jì)效益顯著[7-10]。

在軋制工藝方面，徐文亮等[11]提出了用深度軋制的方法對(duì)高錳鋼進(jìn)行預(yù)變形表面硬化處理，并分析和研究了其組織演變及性能變化。試驗(yàn)表明，經(jīng)深度冷軋的高錳鋼隨著形變量的增加，其耐磨料磨損性能也隨之增加。這是因?yàn)樯疃壤滠埖母咤i鋼表面形成的高密度位錯(cuò)及孿晶組織，晶粒明顯細(xì)化，改善了鑄造高錳鋼產(chǎn)生的各項(xiàng)異性、氣孔等缺陷，能有效阻止磨粒造成的磨損表面的脆性剝落，同時(shí)，高錳鋼良好的心部韌性也將減少其磨損過程中的疲勞剝落。該軋制方法對(duì)提高高錳鋼使用效率及應(yīng)用范圍具有積極的現(xiàn)實(shí)意義

2.變質(zhì)中錳耐磨鋼

在磨損沖擊功較小的情況下，中錳鋼的耐磨性優(yōu)于高錳鋼的耐磨性。但在實(shí)際應(yīng)用中，中錳鋼在鑄造和熱處理的過程中易產(chǎn)生熱裂，使鑄件的成品率很低，且安全可靠性差。

近十幾年來，在中錳耐磨鋼研究方面，人們采用變質(zhì)處理的方法，即向中錳鋼中加入作為復(fù)合變質(zhì)劑的Cr、Nb、Mg和稀土等元素，來改善顯微組織與碳化物的形態(tài)和分布，取得了良好的效果。這主要是因?yàn)閺?fù)合變質(zhì)劑的加入能顯著地提高材料的力學(xué)性能和位錯(cuò)密度，如稀土可凈化鋼液,使鋼中夾雜物數(shù)量減少；而Cr、Mg等能促進(jìn)碳化物球化，增強(qiáng)稀土吸附及稀土夾雜物與碳化物的非均質(zhì)晶核的作用,同時(shí)也能阻止夾雜物、碳化物進(jìn)一步長(zhǎng)大，使其組織明顯細(xì)化，成分偏析減小，從而使變質(zhì)中錳鋼韌性得到明顯改善，耐磨性能顯著提高。

在對(duì)中錳鋼變質(zhì)處理的基礎(chǔ)上，朱瑞富等研究發(fā)現(xiàn)[12-14]，采用鑄態(tài)水韌熱處理工藝技術(shù)，即利用金屬的鑄造余熱對(duì)奧氏體錳鋼進(jìn)行水韌處理，既有利于節(jié)約能源，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，又可實(shí)現(xiàn)水爆清砂，改善勞動(dòng)條件，減少環(huán)境污染�，F(xiàn)國內(nèi)已有多家企業(yè)采用該項(xiàng)研究成果，并取得了較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

3. 超高錳鋼

近年來,人們已開始著手對(duì)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(duì)Fe-C-Mn合金奧氏體的價(jià)電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在含C、Mn原子的一個(gè)奧氏體晶胞內(nèi)，C-Mn之間的結(jié)合力大于C-Fe之間的結(jié)合力[15]。這樣，錳原子可通過對(duì)碳原子運(yùn)動(dòng)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(kuò)散能力，抑制碳化物的析出。因此，同時(shí)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(shí)具有良好的耐磨性。

當(dāng)前，變質(zhì)處理技術(shù)在開發(fā)新的超高錳鋼鋼種的試驗(yàn)中，已經(jīng)取得了很大進(jìn)展�？蒲腥藛T在對(duì)超高錳鋼變質(zhì)處理前后的組織進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)[16-18]，在未變質(zhì)處理的組織中，晶粒較粗大，晶界共晶碳化物的網(wǎng)狀特征非常明顯；在變質(zhì)處理的組織中，晶粒明顯細(xì)化, 晶界碳化物的網(wǎng)狀特征得到明顯改善。這些成果的研發(fā)為改善超高錳鋼組織并提高其耐磨性提供了新的途徑。

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3.2
抗磨白口鑄鐵

近年來，國外在耐磨白口鑄鐵的研究方面取得了一系列新進(jìn)展。如美國，日本及歐洲各國20世紀(jì)初就開始采用鎳硬鑄鐵,目前已發(fā)展到鎳硬4#，鉻含量由2%提高到9%，鎳由4.5%提高到6.0%，共晶碳化物由M3C型變成M7C3型，力學(xué)性能顯著提高，鑄態(tài)厚截面即可獲得馬氏體組織,硬度在HRC62以上，并且具有一定韌性，主要應(yīng)用于輥式磨的磨環(huán)和磨輥，可鑄態(tài)使用,這對(duì)數(shù)噸重不便熱處理的大鑄件很有意義。因鎳價(jià)格高，我國研究人員已研制中鉻鑄鐵等新型耐磨材料以取代它。此外，國內(nèi)科研人員研究出的高鉻白口鑄鐵在國產(chǎn)設(shè)備上已投入應(yīng)用,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著國內(nèi)對(duì)鉻系白口鑄鐵的研究不斷深入，從合金化理論到生產(chǎn)工藝都取得了突破性進(jìn)展，并獲得了大量成果。低鉻、中鉻、高鉻、超高鉻磨球、襯板、錘頭,高鉻渣漿泵過流件，以及高鉻鑄鐵與鋼雙金屬復(fù)合鑄造襯板、磨輥、軋輥等都已達(dá)到國際先進(jìn)水平。1985年以來,我國鉻系合金白口鑄鐵、鎳鉻合金白口鑄鐵已制定國家標(biāo)準(zhǔn)，耐磨白口鑄鐵技術(shù)已與國際接軌。球墨鑄鐵具有優(yōu)良的力學(xué)性能，良好的耐磨性和抗沖擊疲勞性能，在汽車、農(nóng)機(jī)和建材等部門得到了廣泛應(yīng)用，目前，世界球鐵產(chǎn)量已達(dá)百萬噸以上。我國1982年制定了中錳抗磨球墨鑄鐵件標(biāo)準(zhǔn)(GB3180-82)，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，在建材和電力行業(yè)應(yīng)用取得良好效果。我國自行研發(fā)的低合金白口鑄鐵，成本低,性能良好，在中、小沖擊負(fù)荷下取得良好效果。近年來，結(jié)合我國資源情況，研究人員還開發(fā)研制了錳系白口鑄鐵,硼系白口鑄鐵。錳系白口鑄鐵分中錳(5%～6%)和高錳(7%～11%)兩類，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)的力學(xué)性能【3】。

3.3
其它

表面工程作為一個(gè)較新的研究領(lǐng)域，近年來碩果累累，其產(chǎn)業(yè)化也是方興未艾。目前，我國在熱噴涂涂層、EB-PVD 涂層、自蔓延高溫合成涂層及擴(kuò)散涂層等抗沖蝕磨損防護(hù)涂層方面的研究取得了很大進(jìn)展。耐磨損作為表面工程材料（技術(shù)）的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，特別是對(duì)于某些只有表面磨損的零件，表面工程更顯出其重要意義。這些技術(shù)的發(fā)展，將使耐磨鋼的開發(fā)前景廣闊。

激光表面處理技術(shù)以加熱速率高、溫度高、熱影響區(qū)小、可局部加熱、處理后材料冷速快而晶粒細(xì)小、可機(jī)械化自動(dòng)化操作、無污染等優(yōu)點(diǎn)，越來越被人們所重視。研究人員已經(jīng)開始將激光淬火、激光表面熔凝處理、激光表面合金化、激光熔覆等激光處理技術(shù)應(yīng)用到耐磨鋼領(lǐng)域，并取得了一定的進(jìn)展。

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) |$ K  J* J5 a結(jié)束語

1. 應(yīng)重視已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的耐磨材料的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量，繼續(xù)開展低成本耐磨材料、耐磨復(fù)合材料、抗磨蝕材料、耐熱耐磨材料、耐磨表面工程技術(shù)、磨損機(jī)理與失效分析方面的研究，真正掌握和穩(wěn)定實(shí)施已成熟的生產(chǎn)工藝并推廣應(yīng)用新工藝新技術(shù)。

2.從冶金質(zhì)量上狠下功夫,有效降低非金屬夾雜物和氣體含量,純潔金屬液,以提高鑄件力學(xué)性能、耐磨性和使用性能；推廣先進(jìn)鑄造工藝,改善鑄件質(zhì)量,生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)耐磨金屬材料；

3.我國高錳鋼、抗磨白口鑄鐵等都制定了國家標(biāo)準(zhǔn),耐磨合金鋼也將制定國家標(biāo)準(zhǔn),制造廠應(yīng)參照國家標(biāo)準(zhǔn),制定嚴(yán)格企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)生產(chǎn)，同時(shí)完善測(cè)溫、成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、探傷等檢測(cè)設(shè)備,建立完整的質(zhì)量保證體系　

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碳化鎢用在耐磨領(lǐng)域還是非常廣的。耐磨材料大部分都經(jīng)過焊接加工而成。而且以堆焊為主要工藝。為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)堆焊層的效果，一般分為打底焊，過渡層和表面耐磨焊。國外的耐磨材料主要有蘇鐸凱，都魯母，法奧迪。

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那這些材料主要用在汽車的那些部件上呢？