耐磨金屬材料的最新研究進展

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$ z. n' a* b; v0 N) U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
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。
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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]。

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/ b# g* A5 }+ p- J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。

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3 U; i; v7 X' z  B  K9 U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]
。

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。

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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展。如美國，日本及歐洲各國20世紀初就開始采用鎳硬鑄鐵,目前已發展到鎳硬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，力學性能顯著提高，鑄態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，主要應用于輥式磨的磨環和磨輥，可鑄態使用,這對數噸重不便熱處理的大鑄件很有意義。因鎳價格高，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，國內科研人員研究出的高鉻白口鑄鐵在國產設備上已投入應用,取得了顯著的經濟效益。

隨著國內對鉻系白口鑄鐵的研究不斷深入，從合金化理論到生產工藝都取得了突破性進展，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合鑄造襯板、磨輥、軋輥等都已達到國際先進水平。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準，耐磨白口鑄鐵技術已與國際接軌。球墨鑄鐵具有優良的力學性能，良好的耐磨性和抗沖擊疲勞性能，在汽車、農機和建材等部門得到了廣泛應用，目前，世界球鐵產量已達百萬噸以上。我國1982年制定了中錳抗磨球墨鑄鐵件標準(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，在建材和電力行業應用取得良好效果。我國自行研發的低合金白口鑄鐵，成本低,性能良好，在中、小沖擊負荷下取得良好效果。近年來，結合我國資源情況，研究人員還開發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，得到相應的力學性能【3】。

3.3
, O  X. H, v* i其它

表面工程作為一個較新的研究領域，近年來碩果累累，其產業化也是方興未艾。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散涂層等抗沖蝕磨損防護涂層方面的研究取得了很大進展。耐磨損作為表面工程材料（技術）的主要應用領域之一，特別是對于某些只有表面磨損的零件，表面工程更顯出其重要意義。這些技術的發展，將使耐磨鋼的開發前景廣闊。

激光表面處理技術以加熱速率高、溫度高、熱影響區小、可局部加熱、處理后材料冷速快而晶粒細小、可機械化自動化操作、無污染等優點，越來越被人們所重視。研究人員已經開始將激光淬火、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應用到耐磨鋼領域，并取得了一定的進展。

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結束語

1. 應重視已經標準化、系列化的耐磨材料的生產工藝和產品質量，繼續開展低成本耐磨材料、耐磨復合材料、抗磨蝕材料、耐熱耐磨材料、耐磨表面工程技術、磨損機理與失效分析方面的研究，真正掌握和穩定實施已成熟的生產工藝并推廣應用新工藝新技術。

2.從冶金質量上狠下功夫,有效降低非金屬夾雜物和氣體含量,純潔金屬液,以提高鑄件力學性能、耐磨性和使用性能；推廣先進鑄造工藝,改善鑄件質量,生產優質耐磨金屬材料；

3.我國高錳鋼、抗磨白口鑄鐵等都制定了國家標準,耐磨合金鋼也將制定國家標準,制造廠應參照國家標準,制定嚴格企業標準指導生產，同時完善測溫、成分分析、力學性能測試、探傷等檢測設備,建立完整的質量保證體系　

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碳化鎢用在耐磨領域還是非常廣的。耐磨材料大部分都經過焊接加工而成。而且以堆焊為主要工藝。為了實現整個堆焊層的效果，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？