耐磨金屬材料的新研究現(xiàn)狀
關(guān)鍵詞：耐磨材料；錳鋼；抗磨白口鑄鐵；技術(shù)進(jìn)展
摘  要：耐磨金屬材料被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)研制的各個(gè)領(lǐng)域, 而隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，由于金屬磨損而引起的能源和金屬材料消耗增加等所造成的經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)驚人。近年來(lái)，對(duì)金屬磨損和耐磨材料的研究，越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)外人們的廣泛重視。本文概述了國(guó)內(nèi)外耐磨金屬材料領(lǐng)域研究開發(fā)的現(xiàn)狀及取得的一系列新進(jìn)展。
0  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(lái)越高，受摩擦的零件被磨損的速度也越來(lái)越快，其使用壽命越來(lái)越成為影響現(xiàn)代設(shè)備(特別是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的自動(dòng)研制線)研制效率的重要因素。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(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%。而我國(guó)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要的意義。
1國(guó)外耐磨金屬材料的發(fā)展
國(guó)外耐磨材料的研制和應(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(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。        
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]。
2我國(guó)耐磨金屬材料的發(fā)展
　　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)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(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,不同方法研制的雙金屬?gòu)?fù)合耐磨材料,表面技術(shù)處理的耐磨材料等。同時(shí)，在耐磨材料研制工藝設(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)化研制線。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[3]。
耐磨材料的研制和應(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。
3幾種耐磨金屬材料的新研究進(jìn)展
3.1　錳鋼
1.高錳鋼
高錳鋼作為歷史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] 。  
目前，在高錳鋼研究方面取得了一系列新進(jìn)展，主要有：
    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，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，縮短研制周期，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(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)[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，縮短研制周期，降低研制成本，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，并取得了較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
3. 超高錳鋼
近年來(lái),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(lái)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(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。
3.2  抗磨白口鑄鐵
近年來(lái)，國(guó)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(guó)，日本及歐洲各國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)科研人員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，從合金化理論到研制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?gòu)?fù)合鑄造襯板、磨輥、軋輥等都已達(dá)到較先進(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、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(wàn)噸以上。我國(guó)1982年制定了中錳抗磨球墨鑄鐵件標(biāo)準(zhǔn)(GB3180-82)，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(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。
4  結(jié)束語(yǔ)
1. 應(yīng)重視已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的耐磨材料的研制工藝和產(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)施已成熟的研制工藝并推廣應(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,研制優(yōu)質(zhì)耐磨金屬材料；
3.我國(guó)高錳鋼、抗磨白口鑄鐵等都制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),耐磨合金鋼也將制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),制造廠應(yīng)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),制定嚴(yán)格企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)研制，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。
參 考 文 獻(xiàn)
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Recent Progress of research on Wear Resistant
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Qiu Chang-ming1, Zhang Gui-jie1,Wang Yan-feng2
(1.College of Metallurgy and Energy ,Hebei Polytechnic University,
Tangshan Hebei 063009, China;2.College of Mechanical Engineering, Hebei Polytechnic University,Tangshan Hebei 063009, China)
Key word: wear resistant materials; manganese steel; wear-resistant white iron; technical progress
Abstract: Wear resistant metal materials have been applied into many industrial fields.with the rapid development of science technology and modern industry, the loss of economy caused by metal wear including more and more consume of energy resources and metal material is astonishing .In recent years,more and more people begin to realize the significance of researching metal wear and wear-resistant materials.The present situation and a series of recent progress on wear resistant metal materials in home and abroad are summarized in this paper.