耐磨金屬材料的研究現(xiàn)狀

耐磨金屬材料的研究現(xiàn)狀

1金屬基材料以及顆粒材料磨損引起的能耗改變隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，設(shè)備的運(yùn)行速度越來(lái)越快，摩擦零件的磨損速度也越來(lái)越快。這是現(xiàn)代設(shè)備（尤其是高速自動(dòng)生產(chǎn)線）生產(chǎn)效率的一個(gè)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(guó)家約30%的能源是以不同形式消耗在磨損上的。如在美國(guó),每年由于摩擦磨損和腐蝕造成的損失約1000億美元,占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總收入的4%。我國(guó)僅在冶金、礦山、電力、煤炭和農(nóng)機(jī)部門(mén),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。研究和發(fā)展耐磨材料,以減少金屬磨損,對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要的意義。2發(fā)展中鉻鐵鐵鋼材料特點(diǎn)分為3國(guó)外耐磨材料的生產(chǎn)和應(yīng)用經(jīng)過(guò)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(guó)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(lèi)。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(lèi)。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。3耐磨材料生產(chǎn)技術(shù)措施的應(yīng)用據(jù)統(tǒng)計(jì),國(guó)內(nèi)每年消耗金屬耐磨材料約達(dá)300萬(wàn)t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(lái),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?gòu)?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(guó)、比利時(shí)等國(guó)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(guó)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(guò)國(guó)際水平,出口東南亞、日本、南非、美國(guó)、澳大利亞等地,取得了良好的效益。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。4一些最新的反恐研究4.1錳鋼4.1.1高錳鋼的研究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,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。目前,在高錳鋼研究方面取得的新進(jìn)展主要有:⑴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(lái)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。⑵在軋制工藝方面,徐文亮等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(guò)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4.1.2復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)錳鋼結(jié)構(gòu)的影響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(guò)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(lái),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(lái)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),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(guó)內(nèi)已有多家企業(yè)采用該項(xiàng)研究成果,并取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。4.1.3重復(fù)使用錳鋼的原理近年來(lái),人們已開(kāi)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(guò)提高碳、錳含量來(lái)達(dá)到改善錳鋼組織,提高耐磨性的目的。研究人員通過(guò)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。這樣,錳原子可通過(guò)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(lái)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(kāi)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),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。4.2研制新型耐磨材料美國(guó)、日本及歐洲各國(guó)20世紀(jì)初就開(kāi)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(guó)研究人員已研制中鉻鑄鐵等新型耐磨材料以取代它。國(guó)內(nèi)研究出的高鉻白口鑄鐵在國(guó)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(guó)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(guò)流件,以及高鉻鑄鐵與鋼雙金屬?gòu)?fù)合鑄造襯板、磨輥、軋輥等都已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。1985年以來(lái),我國(guó)鉻系合金白口鑄鐵、鎳鉻合金白口鑄鐵已制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),耐磨白口鑄鐵技術(shù)已與國(guó)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(chē)、農(nóng)機(jī)和建材等部門(mén)得到了廣泛應(yīng)用,目前世界球鐵產(chǎn)量已達(dá)百萬(wàn)噸以上。近年來(lái)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(guó)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(lái),結(jié)合我國(guó)資源情況,研究人員還開(kāi)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(lèi),硼系白口鑄鐵分高碳低硼和低碳高硼兩類(lèi),采用不同熱處理工藝,得到相應(yīng)的力學(xué)性能。4.3磨損和耐磨損涂層表面工程作為一個(gè)較新的研究領(lǐng)域,近年來(lái)碩果累累,其產(chǎn)業(yè)化也是方興未艾。目前,我國(guó)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(kāi)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(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越被人們所重視。研究人員已經(jīng)開(kāi)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。5試驗(yàn)研究的內(nèi)容⑴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(kāi)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