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引言隨著科學技術和現代工業的高速發展，機械設備的運轉速度越來越高，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代設備(特別是高速運轉的自動生產線)生產效率的重要因素。盡管材料磨損很少引起金屬工件災難性的危害，但其所造成的能源和材料消耗是十分驚人的。據統計，世界工業化發達的國家約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，占國民經濟總收入的4%。而我國僅在冶金、礦山、電力、煤炭和農機部門，據不完全統計，每年由于工件磨損而造成的經濟損失約400億元人民幣[1]。因此，研究和發展耐磨材料，以減少金屬磨損，對國民經濟的發展有著重要的意義。1# d& a7 \2 v6 A' l
國外耐磨金屬材料的發展國外耐磨材料的生產和應用經過了多年研究與發展的高峰期，現已趨于穩定，并有自己的系列產品和國家標準、企業標準。經歷了從高錳鋼、普通白口鑄鐵、鎳硬鑄鐵到高鉻鑄鐵的幾個階段，目前已發展為耐磨鋼和耐磨鑄鐵兩大類。
* [. s k% B4 B0 q 耐磨鋼除了傳統的奧氏體錳鋼及改性高錳鋼、中錳鋼以外，根據其含量的不同可分為中碳、中高碳、高碳合金耐磨鋼；根據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，中鉻鑄鐵則應用較少。從整體上看，合金白口鑄鐵的耐磨性優于耐磨鑄鋼，但后者韌性好，在諸如襯板、耐磨管道等方面有著廣泛的應用[2]。 2
& B4 |' L/ p A我國耐磨金屬材料的發展 據統計,國內每年消耗金屬耐磨材料約達300萬噸以上，應用摩擦磨損理論防止和減輕摩擦磨損,每年可節約150億美元。近年來,針對設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,不同方法生產的雙金屬復合耐磨材料,表面技術處理的耐磨材料等。同時，在耐磨材料生產工藝設備上先后從日本、德國、比利時等國引進數條機械化自動化生產線。在引進基礎上結合國情，發展了消失模鑄造工藝設備、金屬型覆砂工藝設備、擠壓造型工藝設備、離心鑄造工藝設備等新技術新設備等新型工藝設備。熔煉工藝上采用爐外精煉與連鑄等新技術,使產品的內在質量、外觀質量和性能都得到明顯提高,同時，金屬消耗也大幅度降低,一些廠家產品已達到或超過國際水平,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]。 耐磨材料的生產和應用已趨于穩定，但對基礎理論和應用的科學研究仍在繼續，還有更多的新型耐磨金屬材料需要去探求。 3
, ^5 Z# Z* R" n/ j0 s3 C; @( R幾種耐磨金屬材料的最新研究進展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(質量分數)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上的優異的耐磨性能使它的使用受到限制，因此，要擴大高錳鋼的應用范圍,必須對其進行改進性研究，進一步提高其耐磨性[4-6]
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目前，在高錳鋼研究方面取得了一系列新進展，主要有：
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采用合金化的方法，添加Cr、Mo引起固溶強化，加入鈦形成碳化鈦,可引起彌散強化,并能細化結晶組織，最終達到強化基體，提高其耐磨性和屈服強度的目的。實驗表明，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上使用加熱再進行水韌處理的方法,不但能簡化工藝，節約能源，縮短生產周期，而且經濟效益顯著[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高錳鋼進行預變形表面硬化處理，并分析和研究了其組織演變及性能變化。試驗表明，經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。這是因為深度冷軋的高錳鋼表面形成的高密度位錯及孿晶組織，晶粒明顯細化，改善了鑄造高錳鋼產生的各項異性、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，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。該軋制方法對提高高錳鋼使用效率及應用范圍具有積極的現實意義 2.變質中錳耐磨鋼 在磨損沖擊功較小的情況下，中錳鋼的耐磨性優于高錳鋼的耐磨性。但在實際應用中，中錳鋼在鑄造和熱處理的過程中易產生熱裂，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，人們采用變質處理的方法，即向中錳鋼中加入作為復合變質劑的Cr、Nb、Mg和稀土等元素，來改善顯微組織與碳化物的形態和分布，取得了良好的效果。這主要是因為復合變質劑的加入能顯著地提高材料的力學性能和位錯密度，如稀土可凈化鋼液,使鋼中夾雜物數量減少；而Cr、Mg等能促進碳化物球化，增強稀土吸附及稀土夾雜物與碳化物的非均質晶核的作用,同時也能阻止夾雜物、碳化物進一步長大，使其組織明顯細化，成分偏析減小，從而使變質中錳鋼韌性得到明顯改善，耐磨性能顯著提高。 在對中錳鋼變質處理的基礎上，朱瑞富等研究發現[12-14]，采用鑄態水韌熱處理工藝技術，即利用金屬的鑄造余熱對奧氏體錳鋼進行水韌處理，既有利于節約能源，縮短生產周期，降低生產成本，又可實現水爆清砂，改善勞動條件，減少環境污染。現國內已有多家企業采用該項研究成果，并取得了較大的經濟和社會效益。 3. 超高錳鋼 近年來,人們已開始著手對具有穩定奧氏體組織的超高錳鋼進行研究，主要是想在普通高錳鋼標準成分的基礎上通過提高碳、錳含量來達到改善錳鋼組織，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構進行分析發現，在含C、Mn原子的一個奧氏體晶胞內，C-Mn之間的結合力大于C-Fe之間的結合力[15]。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。 當前，變質處理技術在開發新的超高錳鋼鋼種的試驗中，已經取得了很大進展。科研人員在對超高錳鋼變質處理前后的組織進行研究發現[16-18]，在未變質處理的組織中，晶粒較粗大，晶界共晶碳化物的網狀特征非常明顯；在變質處理的組織中，晶粒明顯細化, 晶界碳化物的網狀特征得到明顯改善。這些成果的研發為改善超高錳鋼組織并提高其耐磨性提供了新的途徑。 | 
發表于 2010-11-11 11:47:44
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