耐磨材料的性能對(duì)比概論
在不同的工況條件下其材料的磨損機(jī)理是不相同的.認(rèn)識(shí)耐磨材料的磨損機(jī)制,研究磨損失效原因，建立耐磨性與材料組織性能之間的關(guān)系，正確選用耐磨減少磨損，提高機(jī)械設(shè)備和零件的安全壽命，具有十分重要的理論意義和巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益.
我國(guó)目前通用的耐磨材料有以下幾大系列：
一是高錳鋼系列：如高錳鋼（ZGMn13）、  高錳合金（ZGMn13Cr2MoRe）、超高錳合金（ZGMn18Cr2MoRe）等；
二是抗磨鉻鑄鐵系列：如高、中、低鉻合金鑄鐵（如Cr15MOZCu）；
三是耐磨合金鋼系列:如中、低、高碳多元金合鋼（如ZG40SiMnCrMO和ZG35Cr2MoNiRe）；
四是奧貝球鐵（ADI）系列；
五是各類復(fù)合或梯度材料及硬質(zhì)合金材料：如碳化鉻復(fù)合材料（Cr2C3+Q235）、高能離子注滲碳化鎢材料（WCSP）、高韌硬質(zhì)合金（YK25.6）等；
六是各類非金屬耐磨材料：如聚合陶瓷復(fù)合材料、氮化硅（Si3N4）、增韌氧化鋯（Y2O3+ZrO2）、增韌三氧化二鋁（Al2O3/ZrO2）等。
  2   不同系列的耐磨材料性能比較： 
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1: 高錳鋼系列：其代表為高錳鋼ZGMn13。在承受劇烈沖擊或接觸應(yīng)力下，其表面會(huì)迅速硬化，而芯部仍保持極強(qiáng)的韌性，外硬內(nèi)韌既抗磨損又抗沖擊。且表面受沖擊越重，表面硬化就越充分，耐磨性就越好。由于高錳鋼自身硬度很低（HB170-230），在未硬化時(shí)耐磨性是極其有限的，若高錳鋼件表面所承受沖擊力不足，則表面不能充分硬化（充分硬化后表面硬度可達(dá)HB550以上，反之則在HB350以下）則耐磨性無(wú)從發(fā)揮，而呈現(xiàn)出不耐磨狀況。 

2 :抗磨高鉻鑄鐵系列：按組織結(jié)構(gòu)和使用情況，鉻系鑄鐵可以分為三大類：第一類為具有良好高溫性能的鉻系白口鑄鐵。這種鑄鐵含鉻量為33%，其組織多數(shù)為奧氏體和鐵鉻碳化物，有時(shí)也出現(xiàn)鐵素體。這種合金除具有一定的耐磨性外，在溫度不高于1050℃的高溫工作條件下，具有良好的抗氧化性能。第二類為具有良好耐磨性的鉻系白口鑄鐵（簡(jiǎn)稱高鉻鑄鐵）。這種鑄鐵中除含有12～20%的鉻外，還含有適量的鉬。這類鑄鐵凝固后的組織為(Fe,Cr)7C3型碳化物和γ相。當(dāng)基體全部為馬氏體時(shí)，這種合金的耐磨性能好。如果基體中存在殘余奧氏體，通常要進(jìn)行熱處理。第三類為低鉻合金白口鑄鐵。與普通白口鑄鐵相比，這種鑄鐵中碳化物的穩(wěn)定性更好。［2］ 

3: 耐磨合金鋼系列：又分為低合金鋼、中、高合金鋼。耐磨合金鋼可通過(guò)調(diào)控化學(xué)成份和熱處理工藝獲得必要的材料的沖擊韌度和硬度指標(biāo)。硬度可達(dá)HRC=52～58，韌性可達(dá)到ak=15～30J/cm2。 
4: 奧貝球鐵（ADI）系列：它是通過(guò)等溫淬火熱處理或加入合金元素，使球鐵基體組織由鐵素體、珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W鐵體、貝氏體和殘余奧氏體。ADI具有以下一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①?gòu)?qiáng)度高、塑性好。②彎曲疲勞和接觸疲勞等動(dòng)載性能高。ADI的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度可達(dá)400～500MPa，與調(diào)質(zhì)處理低合金鋼相當(dāng)，ADI的接觸疲勞強(qiáng)度可達(dá)1600～2100MPa，比低合金鋼氮化處理和滲碳處理的接觸疲勞強(qiáng)度高。③吸震性好。ADI由于彈性模量低，加上基體中存在石墨球，能迅速吸收震動(dòng)并增大了噪音阻尼，使部件的運(yùn)行更安靜和平穩(wěn)。④極好的耐磨、抗磨性。ADI的耐磨性能，比任何同等硬度水平的鋼都好。⑤加工性能好：ADI大部分機(jī)械加工可以在等溫淬火前完成，此時(shí)一般為鐵素體球鐵，其加工性能顯著好于鋼。 
5: 復(fù)合或梯度材料系列：其代表是高能離子注滲碳化鎢材料（WCSP）和碳化鉻復(fù)合材料（Cr2C3+Q235）。滲碳化鎢材料（WCSP）是采用高能離子注滲技術(shù)向鋼鐵零部件表層注滲碳化鎢(WC).WC和鋼基體兩者是冶金結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。表面具有WC的高硬度，高耐磨性。心部則保留了所選鋼基體原來(lái)的硬度、強(qiáng)度和韌性。在表層與心部之間還存在一個(gè)性能漸變的梯度過(guò)渡區(qū)，有效地避免了性能突變時(shí)可能引起的材料破壞。
錘用硬質(zhì)合金：相對(duì)于高錳鋼和高鉻合金鋼，錘用硬質(zhì)合金具有更高的硬度和耐磨性。 
密度:14.58（g/cm3）；硬度（CHRA）: 87.5；抗彎強(qiáng)度: 2650（MPa）；斷裂韌性: 12——16（MPam1/2）
6: 非金屬耐磨材料系列 
     非金屬耐磨材料種類很多，其代表材料有陶瓷復(fù)合材料、碳化硅（SiC）、氮化硅（Si3N4）、增韌氧化鋯（Y2O3+ZrO2）、增韌三氧化二鋁（Al2O3/ZrO2）等。 
   陶瓷復(fù)合材料：陶瓷是金屬元素和非金屬元素組成的晶體或非晶體化合物，熔點(diǎn)高、硬度高、剛度強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好。耐磨陶瓷涂料是一種非金屬膠凝材料，它是采用耐酸和耐堿的人工合成的粉狀陶瓷材料。
     特點(diǎn)：
（1）高的機(jī)械強(qiáng)度和剛度：密度大，強(qiáng)度可達(dá)130Mpa，能有效抵御物料的沖擊力和剪切應(yīng)力.
  (2)優(yōu)良的韌性和抗震性：由于陶瓷耐磨料采用無(wú)定向剛纖維和定向網(wǎng)狀增強(qiáng)措施，通過(guò)耦合進(jìn)一步改善韌性，所以斷裂韌性強(qiáng)，可有效防止沖擊力造成的破損和剝落.
  (3)環(huán)境相容性好.［4］  
  強(qiáng)韌化陶瓷：其代表為增韌氧化鋯（Y2O3+ZrO2）、增韌三氧化二鋁（Al2O3/ZrO2）等結(jié)構(gòu)性陶瓷。具有耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度等優(yōu)點(diǎn)。
  可適應(yīng)金屬和高分子材料難以承受的環(huán)境和工況條件。具體指標(biāo)如下： 
材料  強(qiáng)韌氧化鋯    強(qiáng)韌三氧化二鋁    氮化硅 
組成   Y2O3+ZrO2               Al2O3/ZrO2        Si3N4 
密度g/cm3  6—6.05     3——4.5                3.2 
硬度CHRA     89        85——88        93 
抗彎強(qiáng)度MPa1000—1200   300—500       900 
斷裂韌性MPam1/212—14      5—7         8.5 
3  耐磨材料的磨損機(jī)理 
    磨損——由于機(jī)械作用造成物體表面材料逐漸損耗。磨損失效——由于材料磨損引起的機(jī)械產(chǎn)品喪失應(yīng)有的功能。而磨料磨損在整個(gè)磨料損耗中所占的比重超過(guò)50%。所謂磨料磨損：是由外部進(jìn)入摩擦面間的硬顆�；蛲怀鑫镌谳^軟材料的表面上犁刨出很多溝紋，產(chǎn)生材料的遷移而造成的一種磨損現(xiàn)象。分析耐磨材料的磨損機(jī)理須從機(jī)件磨損的外在環(huán)境條件和耐磨材料內(nèi)在特性兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。 
    機(jī)件磨損的外在環(huán)境條件：有硬度、力度、速度、角度、溫度、濕度、粒度等幾個(gè)方面。 
1 :硬度：在磨損的諸多特性中,物料硬度的影響為重要。 
2:力度；這里特指物料對(duì)磨料的壓力。隨著磨損壓力的增加,磨損量隨之增大,因?yàn)殡S著壓力的增大磨料對(duì)材料的刺入深度增加,對(duì)材料表面進(jìn)行切削變形的能量隨之增強(qiáng)。 
3:速度：對(duì)于不同磨損種類,磨損速度的影響是不同的�；瑒�(dòng)磨損情況下,速度的影響并不明顯。沖蝕磨損速度對(duì)磨損有重要影響，當(dāng)沖擊速度高到一定程度時(shí)，原本在滑動(dòng)磨損或低速情況不造成磨損的物料此時(shí)也可以造成磨損。 
4:角度：沖蝕磨損中沖擊角度對(duì)磨損的影響非常大。沖擊角度對(duì)脆性材料和韌性材料的影響不同。對(duì)于陶瓷等脆性材料，隨著角度的增加磨損量增加，在接近90°角的垂直沖擊條件下，磨損量達(dá)到大，這表明脆性材料不適合在大角度沖蝕工況下使用；對(duì)于韌性材料，磨損量先是隨著沖擊角度增加而增加，在某一角度時(shí)達(dá)到大值，其后隨著沖擊角度的增加磨損量隨之下降。這表明韌性材料在低角度工況下工作容易發(fā)生磨損，而在高角度時(shí)則可充分發(fā)揮其耐磨性。這是因?yàn)轫g性材料硬度較低，低角度沖蝕時(shí)磨粒對(duì)表面的切削有利，磨損量即上升，而脆性材料在垂直沖擊時(shí)，材料表面容易碎裂剝落，所以磨損量大。
5:溫度：隨著溫度的升高磨損隨著加大。
6:濕度：實(shí)際工程中,在金屬摩擦副的情況下,液體進(jìn)入對(duì)磨界面,磨損可以大大下降；可是在磨料磨損的情況下,磨料中有水分進(jìn)入,磨損反而變得嚴(yán)重。 
7: 粒度: 磨料粒徑:對(duì)磨損的影響初隨著粒徑的增大磨損呈線性關(guān)系增大,當(dāng)達(dá)到某個(gè)數(shù)值即所謂的臨界粒徑之后,磨損的增長(zhǎng)就變得緩慢,或者出現(xiàn)不再增長(zhǎng)的情況。
     更有意義的是物料與磨料的相對(duì)硬度，或者說(shuō)是硬度比值。從對(duì)磨料磨損進(jìn)行的大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，物料硬度與磨料硬度的比值與磨損量之間有如圖2中的關(guān)系。圖2中H1和H2分別為物料M1和M2的硬度。兩種不同硬度物料隨著磨料硬度變化時(shí)的磨損體積變化以及兩種物料磨損體積之比的變化規(guī)律，在圖2中,對(duì)于較軟的物料M1而言,當(dāng)磨料的硬度小于物料的硬 度H1時(shí)，隨著磨料硬度的增加，磨損上升緩慢，而當(dāng)磨料的硬度上升到物料硬度左右時(shí)，磨損對(duì)磨料硬度為敏感，當(dāng)磨料硬度超過(guò)物料的硬度后，繼續(xù)提高磨料的硬度對(duì)磨損沒(méi)有影響。對(duì)于硬物料M2也存在同樣變化規(guī)律，歸納起來(lái)可以將磨損分為三個(gè)區(qū)域：Ⅰ低磨損區(qū)，Hs<Hm[Hm/Hs>(1.25～1.13)，式中Hm為材料的硬度，Hs為磨料的硬度，Ⅱ過(guò)渡磨損區(qū)，0.8Hs<Hm<1.25Hs；Ⅲ高磨損區(qū)，Hm<1.25Hs。低磨損區(qū)Ⅰ：在Ⅰ區(qū)磨損不嚴(yán)重，對(duì)于硬度遠(yuǎn)高于加工物料的工件來(lái)說(shuō)，造成工件有效磨損組份不是加工物料，而是其中的少量高硬度雜質(zhì)，這些只占百分之幾的雜質(zhì)控制著磨損過(guò)程。 過(guò)渡磨損區(qū)Ⅱ：大多數(shù)的磨損常常發(fā)生在Ⅱ區(qū)，這時(shí)礦物與工件的硬度接近，提高工件的硬度可以顯著地提高工件的耐磨性，這一情況對(duì)于失效分析和耐磨材料的選擇具有指導(dǎo)意義。
     當(dāng)磨料硬度進(jìn)一步增加時(shí),即進(jìn)入高磨損的Ⅲ區(qū),此時(shí)磨損不再隨磨料的硬度增加或增加得緩慢,在此區(qū)內(nèi)盲目提高材料的硬度,無(wú)助于磨損的改善,并且增加了成本. 
   4   結(jié)論
    人們往往認(rèn)為材料越硬越耐磨。實(shí)際上，盲目地追求硬度并不一定能取得理想的效果，反而會(huì)使成本大幅度提高,造成浪費(fèi)。如有試驗(yàn)表明高鉻鑄鐵是一種優(yōu)秀的耐磨材料，但是在接近90°角沖蝕磨損時(shí)其耐磨性還不如20號(hào)鋼，因此在大角度沖蝕磨損時(shí)，就不應(yīng)選擇這類脆性較高的材料。相反，在小角度或滑動(dòng)磨損工況下，高鉻鑄鐵遠(yuǎn)比20號(hào)鋼要耐磨的多。耐磨材料應(yīng)何時(shí)何地如何應(yīng)用，須科學(xué)研究分析使用服役條件，充分掌握耐磨材料的性能特點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，方能取得應(yīng)用的成功。
    高錳鋼韌性有余而耐磨性不足；各類合金白口鑄件硬度高、耐磨性好，但韌性較差，安全可靠性低；中低合金耐磨鋼介于前兩者之間，奧貝球鐵目前缺少普遍的應(yīng)用，有待進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。而聚合陶瓷復(fù)合材料、氮化硅（Si3N4）、增韌氧化鋯（Y2O3+ZrO2）、增韌三氧化二鋁（Al2O3/ZrO2）等非金屬材料使用在高磨損低角度沖擊的場(chǎng)合比金屬材料的使用效果更佳。  、
    在用于高應(yīng)力磨料磨損和沖擊作用不太強(qiáng)的碰撞磨損條件的耐磨件，大都采用高鉻鑄鐵。如碎礦輥、錘式破碎機(jī)錘頭、球磨機(jī)襯板等。破碎機(jī)的護(hù)板、輸送機(jī)的殼體、葉片、斗等應(yīng)用碳化鉻復(fù)合材料（Cr2C3+Q235）、高能離子注滲碳化鎢材料（WCSP）效果更好。 
    此外，由于高鉻鑄鐵具有相當(dāng)好的耐蝕性能，一些同時(shí)經(jīng)受磨料磨損和腐蝕作用的耐磨件，如濕磨機(jī)部件、渣漿泵葉輪和內(nèi)襯等,宜用高鉻鑄鐵制造.在有強(qiáng)沖擊作用，要求耐磨機(jī)件有相當(dāng)高的韌性，以避免機(jī)件破裂的場(chǎng)合，錘用硬質(zhì)合金和增韌氧化鋯(Y2O3+ZrO2)是一個(gè)很好的選擇。若破碎機(jī)顎板破碎巖石，挖掘機(jī)挖取堆積石塊等，則采用高錳鋼鑄件或表面淬硬的低合金鋼鑄件。