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y ；5 4 3 7 6 多种抗磨材料抗磨性能综合评价研究 材料加工工程专业 研究生：向道平指导教师：唐建新 摘要 磨损是一个非常复杂的过程，材料的磨损特性是与磨损过程的磨料性质、 材料本身性能以及相互作用方式等因素有关的系统特性，只有在指明特定工况 条件时才能对各种抗磨材料的抗磨性作比较。 本文从对材料抗磨性豹上述认识出发，选择了工业生产中最常用的高铬铸 铁抗磨材料；我们课题组自己研究的新型高钒抗磨合金；以及很具有代表性的 空冷贝氏体抗磨钢等3 个系列共7 种不同典型抗磨材料，在磨料为石英砂和水 泥熟料，2 k g c m ：、5 k g c m 2 、1 0 k g c m 2 等三种不同冲击载荷时，对三个系列不 同抗磨材料的冲击磨料磨损性能进行了研究，以期对这些抗磨材料的抗磨性能 作综合评价。研究得到了如下主要结论： 实验金相观祭分析结果表明，高钒合金系列试样显微组织中_ 的碳化物对基 体组织的割裂最小，高铬铸铁次之，贝氏体钢系列试样金相组织中没有硬质相。 力学性能实验结果表明，由于高钒合金系列试样宏观硬度最高，冲击韧性 列第二，因此其搭配对材料抗磨性能最有利。 冲击磨料磨损实验结果表明，在不同磨料和不同冲击载荷作用下，三个系 列抗磨材料中高钒合金系列抗磨性能最好，高铬铸铁次之，贝氏体钢系列最差。 其中，高铬铸铁系列中，低载荷时，c r 2 抗磨性最好；较高载荷时，c r 3 抗磨性 具有优势。高钒合金系列中，v 1 抗磨性最好。贝氏体钢系列中，b 1 抗磨性最 好。而且，把c r 3 的抗磨性看作1 时，c r l 、c r 2 的相对抗磨性都随冲击载荷的 增加呈下降性趋势；把v 2 的抗磨性看作1 时，v l 的相对抗磨性随冲击载荷增 加逐渐下降；当把b 2 的抗磨性看作1 时，b 1 的相对抗磨性随载荷增加有下降 的趋势。， 对实验结果进一步分析得出：实验两种磨料时，高钒合金和高铬铸铁两个 系列用在较低冲击场合更能显示其优良的抗磨性。与石英砂作磨料时相比，在 磨料为水泥熟斟时，高钒合金系列和高铬铸铁系列对贝氏体钢系列的相对抗磨 性增大。 论文中还比较了磨料不同时试样的磨损失重和相对抗磨性，从而得出：磨 a 料越软，高钒合金和高铬铸铁两个系列试样的抗磨性发挥更充分；相同载荷不 同磨料时的同一种抗磨材料的磨损失重差异主要是由不同磨料的不同性质决定 的。 最后，在论文中还通过对试样磨损面s e m 照片的观察分析，并结合不同试 样的金相组织分析，从理论上探讨了实验工况条件下不同系列抗磨材料的磨损 机制。 关键词；磨损工况显微组织力学性能抗磨性磨损机制 b s y n t h e t i ce v a l u a t i n gi n v e s t i g a t i o no nw e a rr e s i s t a n t p r o p e r t i e so fs e v e r a lw e a rr e s i s t a n tm a t e r i a l s m a j o r ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：x i a n gd a o p i n gp r o f e s s o r ：t a n g i a n x i n a b s t r a c t w e a ri sav e r yc o m p l e xp r o c e s s ，t h ew e a rr e s i s t a n c e o fm a t e r i a l si sa s y s t e m a t i c a lp r o p e r t yt h a t i sr e l a t i v ew i t ht h ea b r a s i v eq u a l i t y , t h ep r o p e r t yo f m a t e r i a l sa n dt h em e a n so fm u t u a le f f e c t se t c o n l yw h e nt h ew o r kc o n d i t o n sa r e g i v e n ，t h ew e a rr e s i s t a n c eo f d i f f e m n tw e a rr e s i s t a n tm a t e r i a l sc a l lb ec o m p a r e d i nt h i sp a p e r ，o nt h eb a s i so fk n o w l o d g eo fw e a rr e s i s t a n c eo fm a t e r i a l s ，t h r e e d i f f r e n ts e r i e so fw e a rr e s i s t a n tm a t e r i a l sa r es e l e c t e dt os t u d y ，a n dt h e ya r ct h e h i g h c rw h i t ec a s ti r o n ，t h eh i g h va l l o y ，a n dt h eb a i n i t i cs t e e lw i t ha i rc o o l i n g i n o r d e rt os y n t h e t i c l ye v a l u a t et h ew e a rr e s i s t a n c e ，t h es a n da n dt h ec e m e n ta r e s e l e c t e da sa b r a s i v ea n d2 k g c m 2 、5 k g c m 2 、1 0 k g c m 2a r es e l e c t e da s d i f f e r e n t i m p a c tl o a d s ，t h ei n v e s t i g a t i o n sa r em a d eo na b r a s i v ew e a ru n d e ri m p a c t i n g c o n d i t i o no fd i f f e r e n tw e a rr e s i s t a n tm a t e r i a l s t h r o u g ht h es t u d y , s e v e r a lc o n c l u s i o n s a r e m a d e ： t h et e s tr e s u l t so fm i c r o s t r u c t u r ei n d i c a t et h a tt h ec a r b i d e so ft h eh i g h va l l o y s e r i e se x p e r i m e n t a ls a m p l e sp r o c e s st h es m a l l e s ti n f l u e n c eo nt h et o u g h n e s so fb a s i c b o d ys t r u c t u r e ，t h eh i i g h c rw h i t ec a s ti r o ni st h es e c o n d ，t h e r ea r en o tc a r b i d e si n m i c r o s t r u c t u r eo fb a i n i t i cs e r i e ss t e e l s 。 t h et e s tr e s u l t so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e si n d i c a t et h a tt h ew e a rr e s i s t a n c eo f h i g i l va l l o ys e r i e se x p e r i m e n t a ls a m p l e si st h eb e s t o fa l lr e s i s t a n tm a t e r i a l s s e r i e s ，b e c a u s eo ft h e i re x c e l l e n th r c a n d i m p a c tt o u g h n e s s t h et e s tr e s u l t so fi m p a c ta b r a s i v ew e a ri n d i c a t et h a t ，e f f e c t e da tt h ed i f f e r e n t c a b r a s i v e sa n dt h ei m p a c tl o a d s ，t h eh i g h va l l o ys e r i e sp o s s e s st h eb e s tw e a r r e s i s t a n c e t h eh i g h c rw h i t ec a s ti r o ns e r i e si st h es e c o n d ，a n dt h eb a i n i t i cs t e e l s e r i e si st h ew o r s ti nt h r e es e r i e sw e a rr e s i s t a n tm a t e r i a l s f o rt h r e ew e a rr e s i s t a n t h i e l l c rw h i t ec a s ti t o n ，w h e nt h ei m p a c tl o a d si ss m a l l ，t h ew e a rr e s i s t a n c eo fc r 2 i st h em o s te x c e l l e n t ：w h e nt h ei m p a c tl o a di se n h a n c e d t h ew e a rr e s i s t a n c eo fc r 3 j sm o r ee x c e l l e n t f o rt h eh i g h va l l o ys e r i e s t h ew e a rr e s i s t a n c eo fv 1i st h em o s t e x c e l l e n t f o rt h eb a i n i t i cs t e e ls e r i e s t h ew e a rr e s i s t a n c eo fb 1i st h em o s t e x c e l l e n t i na d d t i o n w h e nt h ew e a rr e s i s t a n c eo fc r 3i sr e g a r d e da s 1 a n dt h e i m p a c tl o a d si se n h a n c e d ，t h er e l a t i v ew e a rr e s i s t a n c e so fc r la n dc r 2 a r e d e c r e a s i n g w h e nt h ew e a l r e s i s t a n c eo fv 2 i sr e g a r d e da s 1 a n dt h ei m p a c tl o a d s i se n h a n c e d t h er e l a t i v et h ew e a rr e s i s t a n c eo fv 1i sd e c r e a s i n g w h e nt h ew e a r r e s i s t a n c eo fb 2i sr e g a r d e da s 1 a n dt h ei m p a c tl o a d si se n h a n c e d t h er e l a t i v e w e a rr e s i s t a n c eo fb 1i sd e c r e a s i n g t h r o u g ha n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，f o ru s i n gt h es a n da n d t h ec e m e n t a sa b r a s i v e s t h eh i g h va l l o ys e r i e sa n dt h eh i g h c rw h i t ec a s ti r o ns e r i e sc a n r e p r e s e n tt h ee x c e l l e n tw e a rr e s i s t a n c e c o m p a r e dw i t ht h es a n d w h e nt h ec e i n e n ti s s e l e c t e da sa b r a s i v e ，t h er e l a t i v ew e a rr e s i s t a n c e so ft h eh i g h - va l l o ys e r i e sa n dt h e h i 吐一c rw h i t ec a s ti r o ns e r i e sr e l a t i v et ob a i n i t i cs t e e ls e r i e sa r ei n c r e a s i n g i na d d t i o n ，w h e nt h ea b r a s i v e si sd i f i e r e n t ，t h ew e a rw e i 曲l l e s s n e s sa n dt h e r e l a t i v ew e a rr e s i s t a n c eo fe x p e r i m e n t a ls a m p l e sa r ec o m p a r e da n o t h e r f b rt h em o r e s o f ta b r a s i v e s ，t h ee x e r t e dw e a rr e s i s t a n c e so ft h eh i g h va l l o ys e r i e sa n dt h e h i 吐( 、rw h i t ec a s ti r o ns e r i e sa r em o r ea d e q u a t e w h e ni m p a c tl o a d sa r ee q u i v a l e n t a n dt h ea b r a s i v e sa r ed i f f e r e n t ，t h ew e a l - w e i g h t l e s s n e s sd i f f e r e n c eo fs a m ew e a r r e s i s t a n tm a t e r i a l si sd e c i d e db yd i f f e r e n tq u a l i t yo fd i f f e r e n ta b r a s i v e t h r o u 【曲o b s e r v a t i o n a n d a n a l y s i s o fs e mp h o t o g r a p h so f d i f i e r e n t e x p e r i m e n t a ls a m p l e sw e a rs u r f a c ea n da l l a l y s i so fd i f f e r e n te x p e r i m e n t a ls a m p l e s m i c r o s t r u c t u r e ，w e a rm e c h a n i s m so fd i f f e r e n ts e r i e sw e a rr e s i s t a n tm a t e r i a l sa r e d i s c u s s e d k e y w o r d s ：w e a l w o r kc o n d i t i o n sm i c r o s t r u c t u r em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s w e a rr e s i s t a n c ew e a l m e c k a n i s m d 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 磨损概述 1 1 1 磨损的定义1 1 , 2 】 磨损是物体或零件相互接触并相对运动的系统中的一种现象，这利- 现象普 遍地存在于生产和生活之中。磨损消耗了机器运转的能量，使零部件使用寿命 缩短，造成材料的消耗。 磨损现象是非常复杂的，目前还没有一个被公认的统一准确的定义。美国 材料试验协会( a s t m ) 标准认为：磨损是“由于一物体的表面与一相接触物质问 的相对运动造成固体表面的损伤，通常有材料的逐渐损失。”该定义中所说的“固 体表面的损伤”也包括有不发生材料损失的情况，例如仅发生残余变形。 在中国农业机械化科学研究院工艺材料研究所编写的磨粒磨损与抗磨技 术译文集里，把磨损定义为：磨损是两个相互接触的物体产生相互移动和摩 擦时，由于对接触表面施加压力的结果，以致接触表面的部分材料从表面上脱 落或产生位移的现象。 在由欧洲经济合作和发展组织( o e c d ) 的工程材料磨损研究小组编写的摩 擦学术语及定义汇编中，对磨损( w e a r ) 作了如下定义：由于表面相对运动使 物体工作表面上逐渐损失物质。 由上述有关磨损的定义，我们可以看到材料一机械的零部件发生磨损的三 要素是：材料的表面特性，与另一物质( 包括固体、液体、气体) 的接触特性 ( 包括接触方式、力的传递、表面变形、相互作用等) 以及相对运动等。 1 2 磨损的分判3 , 4 , 5 】 为了便于研究磨损和把握其规律并制定相应的对策，有必要对磨损进行分 类。目前比较通用的磨损分类方法是以j t b u r w e l l 和c d s t r a n g 提出的按照磨 损机理的分类方法，即将磨损分为：磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、冲蚀磨 损，腐蚀磨损及微动磨损等。英国的t s e y r e 曾对工业领域中发生的各种磨损 类型所占比例作了如表1 1 的估计。但是，他没有将疲劳磨损专门考虑为一种 磨损类型。 绪论 表1 1 各种磨损类型所占比例 序号磨损类型百分数( ) 1磨粒磨损5 0 2 粘着磨损 1 5 3 冲蚀磨损 8 4微动磨损 8 5 腐蚀磨损 5 6其他 1 4 1 1 2 1 磨粒磨损 ( 1 ) 磨粒磨损的定义 由于硬的磨粒或凸出物对零件表面的摩擦作用而造成物料迁移，导致表面 材料发生损耗的磨损，称为磨粒磨损。这种磨粒或凸出物一般是非金属磨料如 石英、矿岩、砂土等，但也包括硬金属对软金属表面的磨损。 例如，有一个粗糙的硬质金属表面( 如锉刀表面) ，在压力作用下在一个软 金属光滑平面上滑行时，粗硬的突出点将压入软金属表面并把它“犁”出一道 道沟槽。犁沟是切削作用，所以原来在沟中的金属就被切削成磨屑而脱离母体。 又如，砂纸和砂轮在金属表面上进行磨削时，情况与此相同，所以也属于磨粒 磨损。不过这里粗的硬粒磨料已经不是金属而是非金属的硬质颗粒。 ( 2 ) 磨粒磨损的分类 磨粒磨损是一个包含有多相、不同形状的颗粒( 矿石等) 以不同的能量与 各种材料的工件相接触、摩擦以至碰撞的复杂过程，因此工业上倾向于对磨粒 磨损进行定性的分类。 磨粒磨损的分类方式很多，根据不同的分类方式，磨粒磨损的种类也有差 异。例如，就磨料与工件相对硬度的大小可分为硬磨料磨损和软磨料磨损：根 据经受磨损的工件和磨料的组合，可以把磨粒磨损分为二体和三体磨粒磨损。 不过，在工业上，常见磨粒磨损的一般分类方式是根据其作用力的情况划 分为低应力磨粒磨损、高应力磨粒磨损、凿削式磨粒磨损以及冲击磨粒磨损等 四种类型。下面分别逐一作简单介绍。 2 四川大学硕士学位论文 低应力磨粒磨损即作用在磨粒上的压力低于其破碎强度下的磨损。这 时松散磨粒自由地在表面上产生滑动，磨粒不产生破碎。 高应力磨粒磨损存在于工件表面间的磨粒被接触应力破碎，即作用在 磨粒上的压力高于它的破碎强度下的磨损。如，研磨机上工作部件的磨损等。 凿削式磨粒磨损有一定的冲击载荷，这利t 磨损通常形成很高的应力， 经常在输送和破碎大块材料时发生。如，矿业用凿岩机凿头，挖掘机斗齿等零 部件经受矿石的磨损情况。 冲击磨粒磨损磨粒垂直或以一定的倾角落在材料表面上，其局部应力 比较高。 ( 3 ) 减少磨粒磨损的方法 一般来说，减轻磨粒磨损的办法是选择具有较高硬度、较好抗磨性的材料， 而且要尽量减少物料之间相对运动的力。例如，为了减轻搅拌机叶片与衬板之 间的磨粒磨损，采用衬板可以提高硬度，但要减小作用力的关键在于选择适当 的间歇。 1 1 2 2 粘着磨损 两个光滑的金属表面在压力下作相对滑行时，界面上的实际接触面积可能 结合起来( 冷焊) 而形成粘着。这些粘着点又不断破裂，断裂可能发生在结合 表面处，也可能发生在本体的突出部位，这就使某一表面上产生脱离了本体的 金属磨屑。这种由于粘着作用使材料由一表面转移到另一表面所引起的磨损， 称为粘着磨损。其破坏特点是粘结点剪切破坏是发展性的，它造成两表面凹凸 不平。活塞与气缸壁之间的擦伤就是粘着磨损的例子。 根据磨损的破坏程度不同，粘着磨损常表现为轻微磨损、涂抹、划伤、胶 合与咬死等破坏形式，这些破坏形式主要取决于粘结点的强度与两表面基体金 属强度之间的关系。、 预防粘着磨损的主要方法是实现运动部件之间表面压力的均匀分布和改善 接触表面的质量，此外应根据运动部件之间载荷的性质选择适当的材料。 1 1 2 3 腐蚀磨损 3 绪论 当摩擦副工作时，表面金属与周围介质发生化学或电化学反应并生成反应 产物，与此同时，还有机械作用使反应产物脱落，这种以腐蚀为主导的磨损即 称为腐蚀磨损。例如，化工设备中与腐蚀介质接触的零部件的腐蚀就是腐蚀磨 损的典型例子。 腐蚀磨损是在与腐蚀介质相处时发生的。在腐蚀条件下，在金属表面将形 成一层腐蚀产物。如果金属表面没有相对滑行，这层腐蚀产物将延缓或阻止腐 蚀作用的进行；但有相对滑行时，这层腐蚀产物将被磨损掉，使金属受到继续 的腐蚀和磨损。 由摩擦副的材料性能、周围介质的性质以及介质在金属表面上造成的腐蚀 情况不同，可将腐蚀磨损分为氧化磨损、微动腐蚀磨损、特殊介质腐蚀磨损等 几种类型。 腐蚀磨损是腐蚀和磨损同时起作用的一种磨损，这种形式的磨损一般不严 重，但是，如果周围环境很潮湿或者温度很高，则可能产生严重的磨损。一般 来说，通过良好的装配可加以改进，避免产生腐蚀磨损。 1 1 2 4 疲劳磨损 疲劳磨损是当两个接触体相对滚动或滑动时，在接触区形成的循环应力超 过材料的疲劳强度的情况下，使摩擦表面接触区内材料的微观体积反复产生变 形，造成积累损伤而导致表面层萌生疲劳裂纹，并逐步扩展，最后使表面分离 出粒状或片状磨屑，并留下痘斑状凹坑的一种特殊的破坏形式。其破坏特点为： 应力超过材料的疲劳极限，在一定循环次数后即出现疲劳破坏，表面呈麻坑状。 当摩擦副的表面粗糙度、材料和润滑等条件都满足要求时，疲劳裂纹通常 在表面层以下某处萌生；否则从表面产生。总之，疲劳裂纹常常在材料表面层 有缺陷的地方发生，裂纹产生的确切位置受到夹杂物、表面缺陷以及孔隙等因 素的影响。 疲劳磨损的最普遍形式是出现在呈滚动接触的机器零件表面上，例如在滚 动轴承中，滚珠与滚道之间的接触点之间的接触点上，其作用力是短暂的，但 这种作用是不断反复进行的。这样多次反复的加载和卸载，可能导致在接触面 上以及稍低于接触面的皮下形成垂直于或者平行于接触面的疲劳裂纹，这些裂 纹的扩展以及互相交割，可能使金属表面开裂，以至剥落。 4 四川大学硕士学位论文 疲劳磨损的分类方法很多，按照摩擦副的性质可分为：滚动摩擦疲劳磨损 和滑动摩擦疲劳磨损。根据表面疲劳磨损的发展情况可分为：早期疲劳磨损和 破坏性疲劳磨损。 1 1 2 5 冲蚀磨损 冲蚀磨损是指含有固体粒子的流体冲击固体表面时使表面发生损坏的一种 磨损形式。解决的办法是选择有弹性的抗磨材料，如橡胶、塑料等，此外应选 择适当的冲击角。 1 1 2 6 微动磨损 在相互压紧的表面之间，由于发生小振幅相对振动引起的磨损称为微动磨 损。如果微动损伤中化学或电化学反应占重要地位则称为微动腐蚀。遭受微动 磨损的部件，同时，或在微动作用停止后，受到循环应力，出现疲劳强度降低 甚至早期断裂的现象称为微动疲劳。 微动磨损是一种轻微的磨损，又是一种难以预料的磨损。防止出现微动磨 损的关键在于阻止接触面间的相对滑动。 1 ，1 3 磨损的系统特性 磨损是非常复杂的、系统性很强的动态过程，它牵涉到摩擦系统中工件的 外部因素和材料的内部因素。外部因素是指载荷、相对运动形式、运动速度和 持续时间、磨料的硬度及几何形状、环境温度、介质和润滑状态等；内部因素 主要是指材料的化学成分、抗磨相类型、显微组织结构和力学性能以及冶金相 容性等。 材料的磨损特性与材料的强度等力学性能不同，它是一个与磨损工况条件 密切相关的系统特性。若设f n 为压力载荷，d 为拉伸强度，w 、w ( 1 ) 、w ( 2 ) 分别为总的物体和物体( 1 ) 、物体( 2 ) 的磨损特性，p ( 1 ) 、p ( 2 ) 为物理性能，e 为变形参数。r ( 1 ，2 ) 为两物体的相互影响，v 为滑动速率，s 为滑动距离，那 么，强度特性：o = f i e ( 1 ) ，e ) ，0 只与材料本身性能p ( 1 ) 、e 有关；而磨 损特性w = w ( 1 ) + w ( 2 ) = f ( p ( 1 ) ，p ( 2 ) ，r ( 1 ，2 ) ，r ，s ，v ) ，即与磨损工况 密切相关叫。 5 绪论 摩擦系统的任一因素的变化都可能引起磨损规律及磨损机制的变化，因此 磨损理论研究是一项艰巨而复杂的工作。 1 2 现代工业中抗磨材料的地位 1 2 1 磨损损失与抗磨材料 众所周知，材料主要有三种失效方式：即断裂、腐蚀、磨损。其中，磨损 失效使国民经济遭受的损失更加严重。据不完全统计，能源的1 3 i 2 消耗与 摩擦与磨损，材料的8 0 失效于磨损，若再加上人力更换部件的停工，则经济损 失会更大【”。据估计，仅磨料磨损每年就使工业国家损失国民生产总值的1 4 。据美国材料政策委员会1 9 7 7 年测算，磨损造成的年国民经济损失约1 5 0 亿 美元。原西德统计因磨损造成的损失每年达1 0 0 亿马克。我国对磨损造成的损 失缺乏精确的统计。 摩擦与磨损是与机械设备整个运转系统有关的复杂过程，影响因素很多， 相应地减少摩擦和提高抗磨性的措旌也是多方面。 一方面，在现有的材料( 机械零件) 条件下，采用优化机件结构设计，选 择合理的工作条件，增进操作人员的劳动技能等措施，可以提高零件的使用寿 命，降低磨损，但这种途径的发展潜力有限，上升的空间不大。 另外，由于摩擦与磨损毕竟是发生在材料的表面层，材料的本身特性是一 个最基本的影响因素。因此，另一个措旌就是大力提高材料的抗磨性，这一途 径对于提高零件抵抗磨损的使用寿命是最有效且最直接的方法。 随着科学技术和国民经济的高速发展，机械设备的运转速度越来越高，受 摩擦的零件被磨损的速度也越来越快，其使用寿命越来越成为影响现代设备( 特 别是高速运转的自动生产线) 生产效率的重要因素。正是由于磨损现象是这样 经常发生而且几乎是不可避免的，造成的经济损失极为巨大，因此，研究磨损 和不断发展新的抗磨材料是人类永远需要探讨的课题，抗磨材料及其制造产品 的企业也是一个不断发展和兴旺的“不朽”的行业【8 ，9 】。 1 2 2 抗磨材料在现代工业中的应用 在工业生产中，耐磨零部件消耗量最大的是金属矿石的开采及选矿，煤矿 的开采、发电厂、矿物提取和选别、水泥和石灰产品的生产。此外，采石工业 6 四川大学硕士学位论文 的制备和粉碎也需要相当数量的耐磨零部件【1 0 j 。 根据对冶金、建材、电力、农机、煤机等5 个系统的统计，以及机械部门 汽车、拖拉机、工程机械的不完全统计，有人估算出我国消耗金属耐磨材料达 3 0 0 万吨以上i l “。 在我国，每年用于破碎、制粉的抗磨材料消耗是非常巨大的。据不完全统 计，每年消耗耐磨件约1 5 0 2 0 0 万吨。其中研磨体消耗8 0 - - 1 2 0 万吨( 水泥2 5 3 0 万吨，冶金3 0 4 0 万吨，电力1 0 2 0 万吨，化工5 l o 万吨，其他1 0 2 0 万吨) ；衬板消耗2 5 3 0 万吨( 水泥5 1 0 万吨，冶金1 0 1 5 万吨，电力5 万 吨) ；锤头类消耗1 5 2 0 万吨【1 2 】。在国外，以球磨机用磨球为例，欧洲共同体 每年消耗2 0 亿美元；美国则高达6 0 亿美元。 耐磨材料如此高的消耗引起人们的普遍关注。因此，科研单位应该研究高 性能的耐磨材料；制造单位应该生产高质量的耐磨材料；使用单位应该合理选 择耐磨材料。 1 2 2 1 耐磨材料在建材工业中的应用 改革开放以来，我国建材工业发展迅速，到1 9 9 7 年为止，我国水泥企业已 经达8 0 0 0 余家，水泥的年产量接近5 亿吨。与此同时，易磨损零部件的消耗量 极大，过去每年在8 0 1 0 0 万吨以上。因此，耐磨材料的研究应用与发展一直 是水泥工业的一个重要课题。 近些年水泥工业耐磨材料发展很快，尤其是八十年代初到九十年代初，是 耐磨材料研究与发展的一个高峰，几种新型耐磨材料都是这一时期发展并完善 起来的，如高铬铸铁、低铬铸铁、马氏体贝氏体球铁、中高碳锻制球铁、中合 金材料及贝氏体钢材料等。到目前为止，除发展较晚的马氏体贝氏体球铁材料 外，其他材料的生产与应用基本上都稳定下来，各占据市场一份，对于材料( 合 金结构) 的研究也随之转变为对于生产工艺及技术装备的研究，这和啭变富有 象征意义，标志着耐磨材料的发展和应用进入了一个新的阶段1 1 3 】。 1 2 2 2 耐磨材料在采矿工业中的应用 选矿设备常年处于恶劣环境和重载条件下运行，零部件易磨损而且需要经 常维修，这是影响选矿厂设备运转率和经济效益的一个重要原因。因此，要挖 7 绪论 掘选矿厂的潜力，采用耐磨材料和加强管理，提高设备的使用寿命，这是一个 有效的途径。 例如，国内金川公司选矿厂是一座大型的有色金属矿，选矿厂的主要生产 设备有数百台。由于近几年推广使用了耐磨材料，每年可为工厂增加效益3 0 余 万元，而且，处理矿量增加5 i o 【“1 。 1 2 2 3 耐磨材料在电力工业中的应用 电厂所消耗的易磨损材料和配件现已成为除煤、水以外的第二大消耗品。 仅以漳泽电厂为例，装机容量为1 0 4 x1 0 6 k w ，年耗耐磨耐热件达4 0 0 万元年， 随着装机容量增加，这一消耗值也将迅速增长。 电力系统已装备各类磨煤机3 0 0 0 多台，每年磨煤量达4 亿油，各类磨煤 机配件和耐磨材料消耗占全行业消耗的7 0 左右。此外，煤炭输送、碎煤、煤 粉管道、弯道、风机以及近亿吨灰的排放泵、阀、灰管，锅炉喷燃器、锅炉省 煤器管的磨损消耗也很大，已居电厂金属三大失效( 磨损、腐蚀、高温失效) 之首f l s l 。 1 3 金属抗磨材料的发展历史与现状 抗磨损材料可以分为金属和金属化合物；陶瓷及其复合材料和塑料等三大 类【1 6 】，其中金属抗磨材料仍居主导地位。经过3 0 余年研究和发展的高峰期，国 外金属抗磨材料的生产、应用已趋于稳定，发达国家已有自己的系列产品和国 家标准、企业标准。 从金属抗磨材料的发展来看，经历了从普通白口铸铁、高锰钢到镍硬铸铁、 铬系白口铸铁、贝氏体耐磨铸铁、耐磨铸钢以及金属基表面复合材料、硬质合 金等几个阶段，获得了长足的发展。 现今常用金属抗磨材料有耐磨自e l 铸铁、耐磨钢和耐磨合金三类【1 7 】。但目 前应用最多、消耗最大的金属抗磨材料仍是以耐磨铸铁和耐磨钢两大类为主。 1 3 1 耐磨铸铁 耐磨铸铁中的普通白口铸铁、低碳白口铸铁已近淘汰，代之以低合金白口 铸铁和高合金白口铸铁两大类。二者中最具有代表性的是低铬白口铸铁和高铬 8 四川大学硕士学位论文 自口铸铁。由于地球上的铬资源远大于镍，且价格较便宜，因此，至今这两种 材料已在耐磨铸铁中占有主导地位，从资源成本和耐磨性方面考虑，镍硬铸铁 的地位已在减弱。马氏体或贝氏体、马氏体组织的球墨铸铁在制作小截面耐磨 件方面也占有一席之地，中铬铸铁则应用较少。 1 3 1 1 普通白口铸铁 白口铸铁首次在工业上用作抗磨材料，要追溯到可锻铸件退火过程发展的 初期。我国早在春秋战国时期就已经制造可锻铸铁农具了i l 。国外耐磨白口铸 铁的发展分为三个阶段：第一阶段是普通白口铸铁；第二阶段是镍硬白口铸铁： 第三阶段是高铬自口铸铁，至今已发展成系列化和标准化，并进行工业化大批 量生产1 1 9 | 。 普通白口铸铁是一种不加合金元素的白口铸铁，在我国已经有2 0 0 q 多年的 历史。这种不特意加入合金元素的白口铸铁，优点是价廉，可用冲天炉生产， 缺点是由于在铸态使用时其组织为莱氏体( 珠光体+ 渗碳体) ，硬度在5 0 0 h v 左右，所以脆性大，不能承受冲击载荷，应用因此受到了限制。对于要求有一 定韧性的耐磨零件，可采用含碳量较低( 2 2 2 5 c ， l s i ，0 5 l m n ) 并经等温淬火的自口铸铁，其组织为贝氏体+ 少量屈氏体+ f e j c 。这种 材料用于手扶拖拉机、电犁犁铧等有良好的效果，白口铸铁常用于制造表面为 白口心部为灰口的冷硬铸铁件，这样以整体来讲脆性有所改善，而表面则可以 耐磨。 在磨料磨损较强烈的条件下，如球磨机衬板、抛砂机叶片、反击式破碎机 板锤等，目前国内外普遍采用合金白口铸铁。 1 3 1 2 镍硬铸铁 1 9 2 8 年c l i m a x 国际公司研制成功的镍硬铸铁是白口铸铁发展的重要里程 碑。它是加入3 5 n i 和1 3 3 e r 的铸铁，由于得到了非常硬而耐磨的 马氏体基体+ m 3 c 型碳化物组织，其硬度( 5 5 0 6 5 0 h b ) 和强度都优于普通白 口铸铁，从而使其抗磨性能有了很大的改善，而且生产工艺简便，所以较早地 在矿山处理和冶金轧辊、泥浆泵等领域得到广泛应用。 但是，由于这种铸铁含有的碳化物仍属于m 3 c 类型、呈网状分布，虽然碳 9 绪论 化物的连续性已有所破坏，韧性已有提高，但是仍然有较大的脆性，与普通白 口铸铁相比没有本质的区别。因此，其固有的脆性仍没有褥到克服，使用受到 很大限制。镍硬铸铁是一种比较成熟的耐磨材料。 表1 2 镍硬铸铁的化学成分( ) 种类 cs i m n p s n i c r m o 镍硬i3 0 3 60 _ 3 o 50 3 0 7 0 30 1 53 3 - 4 81 5 - 2 6 0 4 镍硬i 【 2 5 3 o0 3 0 5 o 3 o 7 0 3 0 1 5 3 3 5 01 4 2 0 0 4 镍硬i i i 2 9 3 70 4 0 70 4 0 7 0 0 5( 0 0 54 o 4 7 51 4 1 8 镍硬2 6 - 3 21 8 2 00 4 0 6 0 0 6 0 1 05 0 6 08 0 9 0 国外对镍硬铸铁的成分、组织和性能做了不少研究工作，表1 2 列出了常 用镍硬铸铁的化学成分。在我国，由于镍合金较贵，镍硬铸铁的应用并不广泛 2 0 , 2 1 1 。 1 3 1 3 铬系白口铸铁 多年来，国内外的材料工作者对于铬在铸铁中的作用进行了大量的试验研 究，在此基础上研制出适合于各种工况的铬系自口铸铁。铬在白口铸铁中的作 用有以下两方面：一是促进碳化物形成，改变碳化物的结构、性能和形态；二 是固溶于奥氏体，改变奥氏体的相交性质。按照向铸铁中加入的c r 量的不同可 以把铬系白口铸铁分为低铬铸铁、中铬铸铁以及高铬铸铁等三类。 ( 1 ) 低铬白口铸铁 所谓低铬自口铸铁，一般是指含有渗碳体型碳化物的铬系自口铸铁。铬含 量在5 以下，与普通白口铸铁相比，c 、s i 量稍低。为了提高低铬自口铸铁的 性能，往往添加m o 、c u 等合金元素。低铬铸铁热处理之后的基体组织为马氏 体或马氏体+ 索氏体，在生产中也有的是珠光体基体，在基体组织上分布着网 状的( f e ，c 0 3 c 共晶碳化物，其硬度也由8 4 0 1 1 0 0 h v 提高到1 0 0 0 1 2 3 0 h v ， 但仍是连续网状分布。 低铬铸铁的优点是成本低，但耐磨性也相对差一些。低铬铸铁可用来制作 1 0 四川大学硕士学位论文 球磨机的磨球，衬板等耐磨件，目前国内低铬铸铁主要应用于生产磨球。 8 0 年代中后期，通过调整成分设计，严格控制碳、硅含量，采用稀土变质 剂，使碳化物形状、分布改变，进而断网，提高韧性。采用金属型群铸，到用 漂珠等保温冒口，最大限度的收缩，消除缩孔缩松等铸造缺陷，提高球的韧性 和耐磨性，并经适当的热处理获得回火马氏体组织，珠光体组织，并对碳化物 进行断网处理。 经上述工艺生产的低铬铸铁磨球性能在h r c 4 0 5 0 ，乱值3 5 j c m 2 。主 要用于中小型水泥厂小干磨机上，现也有在选矿厂、火电厂湿式磨机中使用。 但低铬白口铸铁为多相组织，基体与碳化物之间因电极电位不同，在水的作用 下会产生电解腐蚀，造成碳化物和基体分离，应添加一种能提高基体电极电位 的元素，如铜、镍等，以提高其在湿磨中的耐磨性。其成分、组织、性能已列 入磨球国家标准中。 ( 2 ) 中铬白口铸铁 中铬白口铸铁是我国取代n i h a r d i v 型铸铁发展的一种含铬量在4 l o ， 含碳量在2 3 2 7 的白口铸铁，其碳化物为m 7 c 3 型和m 3 c 型的混合形式， 耐磨性介于高铬铸铁和低铬铸铁之问，水淬后组织为马氏体+ 奥氏体混合基体 + 碳化物，h r c 5 2 5 7 。由于其在性能和价格上无明显优势，所以对其研究、 生产较少。 ( 3 ) 高铬白口铸铁 本世纪3 0 年代，几乎是在发展镍硬马氏体白口铸铁的同时，主要在美国进 行了含1 0 3 0 c r 的高铬白口铸铁的研究。而后，英国、前苏联、德国也相 继进行了大量的生产性研究。6 0 年代以后，由于电炉熔炼的广泛应用，使得这 种铸铁也有相当大的发展。 高铬白曰铸铁由于成分设计的特点，具有比镍硬白口铸铁更好的组织、性 能和抗磨能力。铬的加入改变了自口铸铁的碳化物结构类型，由普通自口铸铁 中的网状m 3 c 型变为孤立的m 7 c 3 型，这不仅提高了耐磨性，而且提高了韧性。 因此，高铬铸铁问世以来，一直被认为是较理想的抗磨材料，应用十分广泛。 国内外对高铬铸铁的成分、组织、热处理工艺与性能之间的关系、工艺控制、 绪论 特殊生产以及各种磨料磨损条件下的使用性能已进行了大量研究。近年来还对 其结晶规律进行了一些研究。 目前国内外所使用的铬系白口铸铁主要是含铬量为1 0 3 0 的高铬白口 铸铁。这种铸铁在国外被认为是具有最高抗磨料磨损性能并有较好韧性的材料， 应用较广，英美等国已把高铬铸铁列为国家标准。 应用高铬铸铁的行业可以概括为下面几个【2 2 j ：电力生产；采矿及选矿：水 泥及采石场：冶金；一般工程等【2 3 捌】。在国内也有较多单位研究和应用高铬铸 铁制造如磨煤机、破碎机、水泥磨机衬板、泥浆泵等耐磨零件，都获得了较好 的经济效果。 对高铬铸铁的研究发展状况论文稍后还有详细论述。 1 3 2 耐磨钢 耐磨钢除了传统的奥氏体锰钢及改性高锰钢、中锰钢以外，从其含碳量的 不同可以分为中碳、中高碳、高碳合金耐磨钢；从合金元素的含量又可分为低 合金、中合金、中合金及高合金耐磨钢；从组织的不同又可以分为奥氏体、贝 氏体、马氏体耐磨钢。 l 。3 。2 。1 高锰期 高锰钢是英国人h a d f i e l d 于1 8 8 2 年发明的一种韧性极好且具有适当耐箩性 的材料。表1 3 列出了不同应用场合高锰钢的化学成分。 表1 3 普通高锰钢的化学成分 牌号化学成分适用范围 cm ns is p z g m n l 3 11 1 1 51 1 0 - 1 4 00 3 1 0 0 0 5 0 0 9 低冲击件 z g m n l 3 - 21 0 1 41 1 0 - 1 4 0o 3 - 1 o o 0 5( 0 0 9普通件 z g m n l 3 - 30 9 1 31 1 0 1 4 00 3 - 0 8 0 0 5 2 7 m ) 衬 板及重轨道岔等，良好的使用条件为表面硬度由初始的h b l 8 0 2 1 0 提高到 h b 5 5 0 左右，从而具有良好的耐磨性。它广泛用于冶金、矿山、建材、机械等 行业中【2 5 2 6 1 。 但是如果在使用中不能发生加工硬化，就无法发挥高锰钢潜在的抗磨能力 而表现得非常不耐磨。石巨岩等1 2 7 】对高锰钢在不同冲击载荷下的加工硬化规律 和其磨料磨损特性作了系统的试验研究，并找出了加工硬化值与耐磨性之间的 对应关系，指出高锰钢以其加工硬化值大于h r c 5 4 的工况为其适宜工况。 高锰钢的另一缺点是屈服强度太低( 3 5 0 m p a 左右) ，在使用过程中极易产 生塑性变形，使得诸如球磨机衬板这样的工件在运转过程中尺寸变大，造成挠 曲变形，而隔仓板上的槽孔则变小。因此，美国、日本等国已