论文：耐磨材料的研究现状及进展

1、目 录插图清单表格清单摘要Abstract绪论.1第1章 耐磨材料的概述.21.1耐磨材料的发展状况.21.2耐磨材料的使用工况和磨损机理.3第2章 我国目前通用的耐磨材料及其性能.62.1 我国目前通用的耐磨材料.62.2不同系列的耐磨材料性能及应用比较.6 2.2.1耐磨钢系列.6 2.2.2耐磨铸铁系列.9 2.2.3非金属耐磨材料系列.13 第3章 不同的耐磨材料的制备工艺.153.1高锰钢.153.2耐磨低合金钢.153.3普通白口铸铁.153.4铬系白口铸铁.15 3.4.1低铬白口铸铁.15 3.4.2中铬白口铸铁.16 3.4.3高铬铸铁.163.5工程陶瓷材料.17

2、第4章 国内外耐磨材料社会经济发展需求分析.184.1耐磨材料的国外需求分析.184.2耐磨材料的国内需求分析.18第5章 国内外耐磨材料的研究及未来的发展方向.205.1耐磨材料行业存在的问题.205.2对耐磨材料的基本要求.205.3耐磨材料未来的研究方向.205.4推进耐磨材料行业健康发展.21结论.22参考文献致谢插图清单1-1 耐磨铸件的类别、消耗量和所占比例.21-2 机件正常运行的磨损过程的三个阶段.52-1 高锰钢产品图示.72-2 普通白口铸铁铸造的铧、犁.92-3 镍硬铸铁产品图示.102-4 低铬白口铸铁产品.112-5 高铬白口铸铁.132-6 复合材料刀具.142-7

3、 陶瓷复合材料产品.14 表格清单1-1 建材工业中主要的消耗工序及其易损件.22-1 高锰钢主要技术参数.72-2 常用低合金耐磨钢的特点和用途.82-3 普通白口铸铁的化学成分实例（质量分数，%）.92-4 低铬白口铸铁的性能.112-5 BTMCrGT高铬衬板的化学成分，力学性能.12耐磨材料的研究现状及进展摘 要 耐磨材料被广泛地应用于工业生产的各个领域, 而随着科学技术和现代工业的高速发展，由于材料磨损而引起的能源和材料消耗增加等所造成的经济损失相当惊人。近年来，对材料磨损和耐磨材料的研究，越来越引起国内外人们的广泛重视。本文讲述了我国目前通用的高锰钢、抗磨铬铸铁、耐磨合金

4、钢等系列耐磨材料及各类非金属耐磨材料种类及其性能，阐述各种耐磨材料的特点和制备工艺，分析耐磨材料的使用工况和磨损机理，有利于合理的选择与应用。通过对国内外耐磨材料的需求情况和我国耐磨材料行业存在问题的分析，总结出了发展耐磨材料的社会经济效益及推进耐磨材料行业健康发展的办法，并介绍未来耐磨材料的发展方向和趋势。关键词：耐磨材料；高锰钢；耐磨合金钢；抗磨铬铸铁；磨损；材料发展Research and Application of Wear Resistant Metal Abstract Wear-resisting material is widely used in various field

5、s of industrial production, and with the rapid development of science and technology and modern industry, due to material wear energy and material consumption to increase the economic losses caused by the quite striking. In recent years, the study of material wear and abrasion resistant materials, h

6、as attracted widespread attention at home and abroad. This article tells the story of our country at present the common high manganese steel, chromium wear-resistant cast iron, wear-resistant alloy steel, etc. Series wear resistant materials and all kinds of nonmetal material types and its propertie

7、s, characteristics and preparation technology of all kinds of wear resistant material, working condition analysis of all kinds of wear resistant materials and wear mechanisms, is advantageous to the reasonable selection and application. Wear-resisting material demand situation both home and abroad a

8、nd the analysis of existing problems of wear-resistant materials industry in our country, summarized the development of wear resistant material social economic benefits and promote the healthy development of the wear-resistant materials industry. And introduce the future development direction and tr

9、end of wear resistant material.Keywords: wear-resisting material；high manganese steel；wear-resistant alloy steel；chromium wear-resistant cast iron；the wear and material development绪 论材料、能源和信息是现今文明的重要支柱，人类文明发展的历史中材料始终都是的重要里程碑，众所皆知：致使各种设备及材料失效的三大重要要素是材料的断裂、腐蚀和磨损，其中令机械设备及材料遭受非常大的经济损失的是磨损失效致使的，据不完全统计：各行

10、各业中应用的能源是因为磨损而出现损耗的大约占总能源损耗的一半，对材料使用的工农业来说，大多数的材料是因为严重的磨损，从而导致不能继续地被使用，还有就是更换损害的零件时，设备的正常停工，这种种原因，都对于材料应用广泛的工农业造成了相当大的经济损失，因此，加大对耐磨材料研究的资金投入以及创新地设计新型工艺，用以改善材料耐磨性，使耐磨材料能够更好的符合社会发展需求，这些对于从事耐磨材料研究的人员来说是非常重要的。在控制国民经济发展的各个行业中、诸多物料都要经过研究及破碎等工序后才能够被允许入下一步工序，所以在各个行业中，因磨料磨损而被废弃的工件极为普遍，因此，如何使材料的抗磨能力有效提高，面对工件实

11、际工作环境，怎么样合理地选择耐磨材料，这是耐磨零部件使用年限长短的关键。 能源的损耗、材料的浪费都是因为设备在运转中会出现磨损，从而致使设备损毁，令能源和材料白白地损失，从而直接的造成了经济效益的下降及社会资源的匮乏，而且因为磨损致使设备的损毁，可能会令部分的生产线停工，需耗费人力、物力和财力去修复设备，更换因磨损而损毁的零部件、使其生产率极大的下降，从而导致更严重的损失。此外，零件往往会因为磨损而不能使用，致使产品的质量不能够达到预期要求，更严重的是导致设备的损毁及人身伤害事故，也大大限制了现代化工业的发展。所以如今对材料磨损的各种研究，让越来越多的国家引起重视。材料的磨损机理在不同的工作环

12、境下是不一样的。对不同耐磨材料磨损的机制，磨损的失效缘由进行系统的分析，通过分析得出结论，然后构建材料耐磨性和材料组织性能之间的关系，选择适当的耐磨材料，可以大大的减少磨损，有利于提高机械设备和零件的使用安全年限，具有非常重要的理论意义和巨大的社会效益和经济效益。因此，为了使材料磨损引起的经济上的损失有所减低，研究各种材料磨损机制和开发新型的抗磨材料是一个永远不会停歇的课题。- 1 -第1章 耐磨材料的概述1.1 耐磨材料的发展状况耐磨材料的全部能量损耗和经济成本的消耗主要是在建筑材料、火力发电和冶金采矿等重要的工业领域。机器的设备及零件在运转过程中，可能需要破碎一些大型的原材料，很容易出现磨

13、损而致使其损毁；例如在采矿、水泥生产等行业。所以，集中的研究磨损和研制新型抗磨材料和抗磨技术对工业应用有非常大的实际意义。表1-1列出了在建筑材料工业中材料主要的消耗工序和典型的易损件。 表1-1 建材工业中主要的消耗工序及其易损件 现阶段从事设备的制造、加工及其现场工作人员持久的重要任务是研究如何降低材料的消耗和提高零件的使用安全年限。从学科的领域来看，它可能涉及到机械可靠性设计、摩擦学、失效分析、制造、材料科学、系统工程及表面工程等诸多的分支。而且，更多的实际问题往往需要根据设备的具体工作条件、零件的结构设计、材料选用等多个问题作为一个系统工程来综合考虑。   

14、; 现今，耐磨零件的生产工艺主要还是采用铸造工艺。2009年我国耐磨铸件的总生产量将近2000万吨，居世界产量的首位，第二第三分别是美国和日本，其中耐磨备件的消耗量约为200万吨；磨球和衬板消耗量分别为百分之五十五和百分之十一在球磨机研磨过程中1。我国耐磨铸件的生产铸造企业大多数是由专业的大型机械厂、各个行业的机械修理制造厂和民营的铸造厂转变而来的。现如今，我国耐磨铸件制造的企业的数量大概有8001 000个。其中耐磨铸件年产量为万吨的大中型企业约为l0。我国耐磨铸件的类别、消耗量和所占的比例如图1-1所示。   图1-1 耐磨铸件的类别、消耗量和所占的比例- 23 -人们

15、系统的对耐磨材料的研究已具有100多年的历史。从高锰钢、合金钢、以及种种铸铁等不同种类的抗磨材料，都历经了最初的发现、研究、开发和生产工艺的不断完善的根本过程。在20世纪60年代国外这些研究和应用都已经全部完成了。如今许多的跨国公司都能够采用比较成熟的制造工艺及材料进行集中大批量生产一些损耗量非常大的容易出现损毁的铸件，例如像球磨机磨球、衬板这类的铸件。这些公司主要把精力放在了铸造工艺和设备的改进及其标准化方面，使用更加领先的技术和先进的生产铸造机械设备及质量掌控手段，使其生产量非常大，生产制造效率较高，同时稳定的生产质量，大大降低了制造成本。例如，如今产品的年生产总量达到三十五万吨铬合金抗磨

16、零部件的一家比利时大型公司，其市场的生产总值更是达到3亿多欧元；再如曾经辉煌的美国原GST钢铁公司，锻钢球的年产量达到峰值为60万吨。国际上的一些大型采矿工业及水泥工业备件的主要市场均被这些大公司牢牢的把持着。      比较而言，最近几十年的时间段内，我国从未中断过对耐磨材料及新型耐磨技术方面的钻研和开发。尤其是在1970年到1990年这二十多年的时间里，在高锰钢的强化、各种耐磨低合金钢、铬系白口铸铁、非金属等耐磨材料的系统研究和应用等方面都取得了非常喜人的成就和巨大的经济效益，其中某一些品种已经被应用于国家标准。就如今而言，中国耐磨材料的生

17、产已逐步的向产量大、涉及广及规模化的方向成长着，并且已经成为了一个专门服务于建筑材料、冶金行业、矿山行业及发电行业的原材料供应而独立存在。其生产制造技术、设备的应用条件以及质量掌控方面也都有非常大的改进，从而极大的降低了易损铸件的消耗指标和成本2。  1.2 耐磨材料的使用工况和磨损机理 a.耐磨材料使用工况：建筑材料、矿山、冶金等行业因耐磨材料的开发研究和生产技术的发展而不断的被广泛的应用。在冶金和矿业的生产线上，类型不同的各种耐磨材料被普遍的使用在篦冷机、管磨机、辊压机、风机、立磨、选粉机、预热预分解系统等主机设备之中，和各种贮料仓、阀门、管道、溜槽之中。新型干法水泥生

18、产工艺及各类节约能源的高效粉磨新工艺得以较大规模的应用推广是因为各种高性能耐磨材料被不断研究和开发出来。可以说，耐磨材料保护着诸多容易被磨损的设备，耐磨材料的性能、使用寿命与企业的经济收入存在着直接关系。在选择耐磨材料应用时，应先对使用工作条件进行分析，根据被应用的工作条件选择耐磨材料基本的性能，以防止单方面的追求力学性能指标，而忽略其他方面性能。不然，一方面可能会由于提高材料性能而致使生产的成本升高，另一方面也可能是由于过于重视某一些指标的要求而忽略其它的一些指标，容易造成事故很大的隐患。 b.磨损机理：机件在工作中，其表层面会互相接触并做相对运动时，表层面渐渐会形成由细微的颗粒所组成的磨屑

19、（疏松的碎屑的大小和形态都不一样），促使表层面的材料渐渐的损失，从而致使机件的原有尺寸发生改变以及质量的严重缺失、造成机件表层面损伤或损毁的现象。引起磨损的主要原因是力学作用，但磨损并不是单一的力学过程。引发磨损的缘由并不是唯一的，不仅仅有力学的影响，还有物理及化学的共同影响，所以，摩擦副材料、加载方式、润滑条件及相对运动特性以及工作温度等许多因素都对磨损量的大小有着影响，所以，这个系统过程是非常复杂的对于磨损来说。通常按磨损机理来进行分类，把磨损分为：粘着磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和微动磨损。据不完全统计，每年工业行业中大部分的经济损失都是来源于各类机件磨损，在机件磨损中磨

20、粒磨损所导致的经济损失最高，约占总损失的半数之多，粘着磨损导致的损失约为总损失的五分之一，其他的经济损失基本上都是由于剩下的磨损所导致的。所以，在剖析材料的磨损机理时需要结合实际工况，即从机件磨损所处的实际工作的条件下及耐磨材料本身具有的特性等多个方面综合考虑3。 c.机件磨损的外在环境条件（1） 硬度 物料本身的硬度在材料磨损的许多特性之中，是最为重要的影响。（2） 力度 这里特指的是物料对磨损的压力。磨损压力的不断增大致使机件磨损量跟着增大，这是因为随着压力的增大磨料很容易能够刺入材料表层，导致切削材料表面能量增强，机件的磨损随之变得严重。（3）速度 因材料磨损的种类繁多，所以对于单一的磨

21、损速度来说，速度的大小决定着磨损程度。在滑动磨损的情况下，速度并没有太大的影响。但在冲蚀磨损的情况下，速度对磨损来说有着重大的作用，因为当冲击速度达到某一临界值时，原来不会出现磨损的，如在滑动磨损或低速情况下的物料，此时可能会磨损情况。（4）角度 在冲蚀磨损中，磨损量的大小是由冲击角度的所决定的。对于脆性材料及韧性材料来说，冲击角度的不同致使材料磨损的程度也不同。脆性材料：冲击角度在增大过程中，材料磨损量将变得更加严重，在将近九十度的垂直冲击条件下，材料磨损量将会出现最大值，这说明在角度相对比较大的冲蚀工作条件下不适宜选用脆性材料，这是因为脆性材料在接近九十度冲击作用时，表层面非常容易破碎和脱

22、落，致使其磨损量最大。韧性材料：初始时，在冲击角度增大的过程中材料磨损量也在增大，在某一角度时，磨损量会出现最大值，随后冲击角度继续增大的过程中，磨损量不再增大，呈下降趋势。这说明在角度较低的工作条件下韧性材料比较易发生磨损状况，在高角度工作条件下其耐磨性可以得到很好的发挥，这是因为韧性材料硬度相对来说比较低，在低角度冲蚀条件下，磨粒对表层面是处于最有利的切削状态，磨损量呈增大趋势。（5）温度 温度不断的升高致使磨损量亦会随之增大。（6）湿度 现实的工作环境中，在金属摩擦副的情况下，由于液体流入对磨界面，会致使磨损极大的降低。但在磨料磨损的条件下，如果有水流入到磨料中，会致使更加严重磨损。（7

23、）粒度 磨料料径：对磨损的影响开始是随着粒径的增大磨损呈线性关系增大，当达到某个数值时即所谓的临界粒径之后，磨损的增加就变得缓慢，或者出现不再增加的情况。磨粒粒形：尖锐磨粒的磨损能力很强，而圆钝磨粒的磨损能力相对较差。这是由于尖锐的磨粒能够导致材料的塑性变形，因为其刺入材料表层面非常容易，更甚者是尖锐的磨粒能够直接切削材料，一次成屑，所以在磨损中，磨损能力非常强的非尖锐磨粒莫属。 d.耐磨材料特性的影响 对磨损的影响非常大的是材料本身的内在特性，耐磨材料主要被分为金属和非金属两大种类，生活中常见的陶瓷、橡胶等均属于耐磨的非金属材料。在水平和低角度磨损时，陶瓷的耐磨性是非常良好的，尤其是在高温工

24、作条件下。在一个垂直或者高角度冲击工作条件的影响下，橡胶材料表现地相当不错，特别是在湿料磨损时表现的更加出色。金属耐磨材料有很大的优点，将材料的强度、韧性及耐磨性很好的融于一身。对于纯金属来说，随着材料硬度的增大，相对耐磨性亦随之增大并且呈现出线性关系。对于某种碳素钢或合金钢，采用热处理工艺使其硬度在HV200-800之间变化时，随着硬度增加其相对耐磨性的增加更加缓慢。在研究磨损机理和磨损特性时，往往将料硬度的影响或磨料硬度的影响分开单独进行考察。机件磨损过程的三个基本阶段如图1-2所示。磨损量与时间的关系示意图图1-2 机件正常运行的磨损过程的三个阶段第2章 我国目前通用的耐磨材料及其性能2

25、.1 我国目前通用的耐磨材料：耐磨钢系列：高锰钢（ZGMn13）、 高锰合金（ZGMn13Cr2MoRe）、超高锰合金（ZGMn18Cr2MoRe）、中、低、高碳多元金合钢（如ZG40SiMnCrMO和ZG35Cr2MoNiRe）等；耐磨铸铁系列：高铬铸铁、中铬铸铁、低铬铸铁、镍硬铸铁等品种。；非金属耐磨材料系列：如聚合陶瓷复合材料、碳化硅（SiC）、氮化硅（Si3N4）、增韧氧化锆（Y2O3+ZrO2）、增韧三氧化二铝（Al2O3/ZrO2）等。 2.2 不同系列的耐磨材料性能及应用比较： 2.2.1耐磨钢系列：(1)高锰钢 对高锰钢化学成份进行分析，

26、可以得知其特点是高碳、高锰（10%14%锰，0.9%1.4%碳，质量分数），为了提高性能，获得实际应用中性能的最大化，还可以加入铬、钼、镍、钛等元素。由于该类钢加工非常困难，所以基本上都是应用于铸件。研究表明，高锰钢冷作硬化的本质是通过大变形在奥氏体基体中产生大量层错、形变孪晶、马氏体和马氏体，成为位错运动的障碍。在强烈冲击条件的作用下，耐磨件表面硬度将会有很大的提高，硬度初始值大约为200HBW，经过强烈冲击后，硬度值升高到500HBW以上，具有1020mm的硬化层深度，而芯部仍保持奥氏体组织，所以在巨大的冲击载荷作用下而不会发生破裂。在高锰钢表面层渐渐地被磨损消耗掉的时候，在强烈的冲击载荷

27、作用下，磨损非常厉害，促使高锰钢硬化层不断地向内拓展，“前赴后继”。而对于在低应力及低冲击载荷作用下发生的磨损情况而言，因为力的作用性比较小，加工硬化的优点不能够被充分的发挥出来，此时高锰钢的耐磨性可能会弱于与其硬度相当的其他钢种。由于高锰钢的独特性质，因此被广泛应用于承受冲击载荷大、磨损剧烈的工作部件，例如各种碎石机上的衬板、颚板、磨球以及挖掘机上用来破开地面的斗齿、大型坦克的履带板等。表2-1列出来高锰钢主要技术参数。表2-1 高锰钢主要技术参数4 例如高锰钢作为一种经常使用的耐磨材料，在制造各类破碎机的齿板中应用比较广泛，按照破碎机在不一样的工作环境及所承受应力的大小来选取种类不同的高锰

28、钢耐磨材料，当破碎机需要破碎粒度比较大或硬度比较高的物料时，破碎机齿板承受的冲击应力非常大，这时需要选择普通高锰钢铸造破碎机的齿板，高锰钢加工硬化的特点能够被很好的发挥出来，同时也使齿板的耐磨性有较大的提高以及使用年限的增加。而当破碎机破碎的物料较小或齿板承受的冲击应力较低的工作条件下，需要采用碳素铸钢、中锰或合金钢铸造齿板。所以在选择高锰钢铸造破碎机的齿板时，应综合考虑，切实符合破碎机的实际工作工作环境及齿板需要承受的冲击应力的大小，只有这样才能更好的发挥耐磨材料的性能特点，才不会致使安全事故的发生。高锰钢的产品如图2-1所示。 磨球 齿板 图2-1 高锰钢产品图示(2)耐磨低合金钢 低合金

29、耐磨钢的基本性能特点是具有良好的耐磨性及韧度，常用合金元素有Cr、Mo、Si、Mn、RE等。在农业及矿山机械中低合金耐磨钢得到了广泛应用。表2-2详细地列出了常用的耐磨低合金钢的重要特点及在农工业上的主要用途。表2-2 常用低合金耐磨钢的特点和用途52.2.2耐磨铸铁系列：(1) 普通白口铸铁所谓的普通白口铸铁，是指不含有或含有少量的特殊合金元素的白口铸铁，这是中国最早使用的耐磨材料，这种铸铁的特点是高碳低硅，硬度较高，但很脆，冲击载荷较小的零件中应用很广泛，例如一般被用来制造犁铧、磨片、导板等部件。而在工程上被应用于可锻铸铁生胚件：可锻铸铁生胚件的成分硅含量相比较而言较高，碳含量较低，用以加

30、快石墨化退火工艺进程，石墨退火形状得以改变。表2-3列出了普通白口铸铁主要的化学成分。表2-3 普通白口铸铁的化学成分实例（质量分数，%）例如中国古代的劳动人民以其伟大的智慧，充分利用了白口铸铁的性能，制造出了划时代的犁铧，白口铸铁较硬的性能，适合于低冲击载荷，所以犁铧在农业生产中得以被良好的推广应用。铧犁，是铧与犁组合成整体的称呼，略带螺旋形。其耕地时的效果是土壤朝向一侧翻，将下层土壤翻到地面上，促使土壤软化，更适宜种子的播种与萌发。以牛或人力牵引犁铧，每日可以耕地约2到3亩地，土壤耕翻的深度约4寸，大大提高了农业生产的效率。普通白口铸铁铸造的犁铧如图2-2所示。 图2-2 铧、犁(2)镍硬

31、铸铁所谓的镍硬铸铁，是指在普通白口铸铁的基础上添加3.05.0的镍和1.53.5的铬，得到以马氏体基体+M3C型碳化物为主的组织，使镍硬铸铁具有非常硬和耐磨的特性。无限固溶的镍和铁，使淬透性能被逐渐地提高，促进马氏体-贝氏体基体的形成，同时镍稳定奥氏体，然而造成大量残余奥氏体的原因是镍含量的过高。铬元素的添加能有效的阻止石墨化，促进碳化物形成，增强 M3C型碳化物的硬度指标，不含合金时硬度为HV9001000；添加合金元素时硬度为HV11001200；硬度提高的非常明显。镍硬铸铁的耐磨性比普通白口铸铁更优越，广泛应用采矿、电力、水泥、陶瓷及铸造行业，在国外，镍硬铸铁铸造工艺更为先进，在轧辊、磨

32、球、衬板、辊套、磨环、渣浆泵过流件、弯管等部件的铸造中被广泛的应用6。比如镍硬铸铁铸件在不同的工作条件下，所需的镍硬铸铁性能也不相同，就会导致镍硬铸铁含碳量的选取不同，如果铸件主要作用是抗磨，工作中承受的冲击载荷较小时，例如采矿业用的湿式球墨扣衬板和磨球，杂质泵系列的排渣管，叶轮泵壳护板等过流部件，则含碳量可取最高值，通常可达3.3%3.6%，假如铸件一直在比较大的冲击应力作用下工作，如小型粉磨机中装有的衬板以及凹面板机辊等设备部件，需要选择碳含量较低的镍硬铸铁，在2.7%3.0%之间内，这个时候，碳化物体积百分数以较低的含量存在于铸铁组织中，所以会有较高的强度及韧性，但会降低一些硬度。镍硬铸

33、铁铸造的产品如图2-3所示。 破碎机镍硬铸铁锤头、衬板 镍硬铸铁件图2-3 镍硬铸铁产品图(3)铬系白口铸铁铬在白口铸铁中的具体作用：一是促进形成碳化物，使碳化物结构、性能和形态改善；二是与奥氏体固溶，使奥氏体相变性质改变。根据铬含有量不一样可分为三类铸铁，即低铬白口铸铁、中铬白口铸铁、高铬白口铸铁。低铬白口铸铁所谓的低铬白口铸铁，一般来说是指在铬系白口铸铁中含有渗碳体型碳化物的铸铁。铬元素的含有量不足5，和普通白口铸铁比较，碳、硅元素的含有量稍低。钼、铜等合金元素的增添能够有效的升高低铬白口铸铁的性能。低铬白口铸铁本身拥有不低的硬度及抗磨性，只不过材料韧性储备非常小、容易发生脆断现象，这些弊

34、端是因为连续网状碳化物对基体一定的割裂作用而形成的；此外，低铬白口铸铁在显微组织下表现出各向异性，波动较大对于其性能(韧性性能)来说，这就造成了其不能保证产品质量的优越性，这些因素都是造成低铬白口铸铁不能被广泛应用的主要原因。但是因为低铬白口铸铁的使用成本较低、铸造工艺简单、可以使用冲天炉熔炼等优势，在低应力、中低硬度磨料磨损工作条件下的应用还是比较广泛的，例如在水泥行业中低铬白口铸铁就得到了很广泛的应用7。表2-4列出了低铬白口铸铁的主要力学性能指标。表2-4 低铬白口铸铁的性能8例如在水泥行业的磨球磨机中，以往使用的磨球主要都是普通锻钢球，其硬度低， 磨耗高(约5006000克吨水 )。低

35、铬白口铸铁具有较高的硬度，在制造水泥生产中磨球显示出良好的耐磨性能， 磨制一吨水泥仅仅消耗磨球2060克。其寿命是普避锻钢球的八倍以上。但是由于合金含量较高，需要采用电炉熔炼，或者在冲天炉熔炼，低铬白口铸铁经合适的热处理后既有较高硬度，又具有一定的韧性，适合用来制造水泥磨机磨球。利用低铬白口铸铁铸造的磨球不仅能够提高了水泥的年总产量，还能降低磨球损耗率和用电损耗，节约了成本，使用电损耗下降2.9度吨水泥，磨球损耗降低了430.56克吨水泥，还减少倒球清仓次数，提高了设备运转率，由原来的百分之七十六提高到了百分之八十三，大大提高了水泥行业的经济效益。低铬白口铸铁产品如图2-4所示。 低铬白口铸铁

36、磨球 低铬白口铸铁衬板图2-4 低铬白口铸铁产品 中铬白口铸铁 所谓的中铬白口铸铁，是指铬含量在高、低铬白口铸铁之间的铬系白口铸铁。其含铬量在6%11% ，中铬白口铸铁可以用来替代高铬白口铸铁价格昂贵、低铬白口铸铁脆性比较大的弱点，具备良好的韧性、硬度及抗磨性，广泛应用于冶金、采矿、火电、水泥等行业，表现出良好的经济效益和社会效益。目前，现有中铬白口铸铁的存在，也具有许多未解决的问题，例如其热处理工艺较为复杂、较差的基体淬透性等弱点、其机械性能和耐磨性能也同样存在着不足，依旧需要继续改善，降低其使用成本低、使中铬白口铸铁成为性能优越的理想型耐磨材料9.10。高铬白口铸铁所谓的高铬白口铸铁，一般

37、是指其铬含量大于12%的铬系白口铸铁。高铬白口铸铁具有优秀的耐磨性能, 而且还具有较强的韧性及抗腐蚀性，受到越来越多的人的关注。国外已成功地将高铬白口铸铁应用于矿山大直径(3.7m)球磨机衬板、大型粉磨机锤头(10.7m)、大型泥浆泵内衬、高压(3.5MPa)输煤泵内衬及水泥工业大型粉碎机组合板等重要的工作件。其他白口铸铁的韧性都弱于高铬白口铸铁的韧性, 但高铬白口铸铁在实际工作应用中容易破碎, 材料的使用成本昂贵, 这种种原因制约了高铬白口铸铁的广泛应用。现今, 高铬白口铸铁的研究还是以改善其韧性为主要方向，但是需在其硬度和耐磨性不会降低的前提下。例如BTMCr-GT高铬白口铸铁衬板在2.4

38、×13m水泥磨机中的应用实例11。在上海水泥厂2.4×13m水泥磨机第一仓进行BTMCr12-GT高铬白口铸铁衬板装机，同时也将高锰钢衬板进行装机，耗时两年零七个月，对比两者的性能，在耗时九个半个月运行6900多个小时，生产水泥约13.5万吨，高锰钢因磨损损毁已不能再被应用，高铬白口铸铁衬板只是磨损了1.5mm依旧能够继续应用，高铬白口铸铁衬板以其相当的韧性和耐蚀性，充分的完成了水泥生产中的重要要应用，提高了水泥生产中更换衬板的年限及水泥的年生产量。通过实际的生产对比，可以获得高铬衬板磨损损耗率非常小，仅仅是1.62克/吨水泥，而高锰钢衬板的磨损损耗率却非常大，是17.75

39、克/吨水泥，由此可以得出高铬白口铸铁的抗磨性能大大强于高锰钢，是高锰钢抗磨性的十一倍，图2-5为高铬衬板装机试验图及高铬铸铁磨球，表2-5列出了BTMCr12-GT高铬衬板的化学成分及其力学性能。表2-5 BTMCr12GT高铬衬板的化学成分，力学性能注：ank(J/cm2)值为10×10×55mm夏式无缺口冲击试样 高铬衬板装机图示 高铬白口铸铁磨球 图2-5 高铬白口铸铁 2.2.3非金属耐磨材料系列 非金属耐磨材料种类很多，陶瓷复合材料、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）、增韧氧化锆（Y2O3+ZrO2）、增韧三氧化二铝（Al2O3/ZrO2）等均为其主

40、要的代表材料。（1）陶瓷复合材料：金属元素和非金属元素组成的晶体或非晶体化合物被称为陶瓷，耐磨陶瓷涂料是一种非金属胶凝材料，它是采用耐酸和耐碱的人工制成的粉状陶瓷材料。高熔点、大密度，高强度等一系列的优点，在抵御物料的大冲击载荷和剪切应力时具有优越的性能。通过无定向刚纤维以及定向网状增强方式、进一步耦合促使陶瓷耐磨材料的断裂韧性提高，有效防止破损和剥落在较大的冲击载荷作用下。（2）工程陶瓷材料：也被称为“高温结构陶瓷”，是陶瓷新型材料的一个重要领域。它包括: 氮化硅基材料、碳化硅基材料及氧化错基材料。在高温条件下也同样具有高的硬度与强度、耐磨损、抗氧化、耐腐蚀且具备良好的尺寸稳定性。此外, 由

41、于氮和硅等原材料来自于大气和地壳中取之不尽而不需镍、铬、钴等战略金属。所以， 这些年来发展得极为迅速，在耐磨、耐蚀和航天的各个领域早已广泛应用。例如陶瓷基复合材料因为高硬度、耐腐蚀性和耐磨性，被广泛应用于制造数控机床中高速加工高硬度材料的切削刀具，图示2-6是为SiCw/Al2O3制成的钻头和颗粒增强碳化硅制成的复合材料刀具，可以切削高硬度（HRC60以上）的高铬铸铁。 图2-6 复合材料刀具 另外陶瓷基复合材料还可以被用来制作人工关节、牙齿（如图2-7）等，陶瓷牙是一种理想的修复体。将和天生牙齿类似的低熔瓷粉附着在陶瓷基底整个表面，通过真空的高温烤瓷炉烧结熔附而成型，从而拥有强度高及与天生牙

42、齿无差别的美观效果。其主要特点是使牙体形态功能得以恢复，不容易损坏、颜色美观、外型类似真牙，基本上不会变形，经久耐用等一系列的优点。现如今，陶瓷基复合材料已经被广泛的应用在生物医学各个方面，而且还取得了不菲的成功。 图2-7 陶瓷复合材料产品第3章 不同的耐磨材料的制备工艺3.1 高锰钢铸态的钢必须经过水韧处理，水韧处理需注意：水韧处理的加热温度一般在10501100这个温度区间内，在一定的保温时间下，使碳化物全部溶于奥氏体中；高锰钢的导热性很差，只有碳素钢的1/41/5，其热膨胀系数是普通钢的1.5倍，而且由于高锰钢铸件尺寸相对又非常大，所以加热过程需要缓慢，以防止产生裂纹；需要尽量缩小铸件

43、从出炉到入水这一时间段，防止析出碳化物。冷却速度要非常快，通常采用水冷却。水冷过程中，冷却前：水温度不应超过30，冷却后：水温应低于60；高锰钢经过水韧处理后、不需要再经过250350的回火处理，其使用环境也需要有温度限制，在250350这个温度区间内禁止使用。因为在高于250时，会析出碳化物，降低性能。3.2 耐磨低合金钢 中碳低合金钢或低碳低合金钢在很多情况下被广泛应用于农业机械生产和一些大型采矿机械。例如41Mn2SiRE、65SiMnRE、55SiMnCuRE和18MnPRE等。对于41Mn2SiRE钢来说，其热处理工艺：需要经过淬火处理，其淬火温度为850，然后还需要经过回火处理，其

44、回火温度为400450，经过回火处理后，硬度得以提高，其硬度值为3845HRC，同时耐磨性也有较大提高，在热轧状态下，与45钢进行对比，可以得知，其强度相对45钢升高40%，耐磨性升高50%，冲击韧性也有所升高，符合了制造大型履带式拖拉机履带板中使用条件。对于65SiMnRE钢来说，其热处理工艺：需要经过淬火处理，其淬火温度为820，然后还需要经过回火处理，其回火温度为240，热处理后，其硬度值为5260HRC，所以常用65SiMnRE钢制造犁铧，其在农业耕种中的使用年限比65Mn钢制造的犁铧高许多。3.3 普通白口铸铁普通白口铸铁热处理工艺：在等温淬火的热处理下，其基体组织主要为贝氏体，粒状

45、的共晶碳化物，有助于其冲击韧性提高，在良好的冲击韧性条件下，一般被应用于铸造磨球及小型衬板12。微合金化能有效地提高普通白口铸铁的机械性能及其应用范围。在普通白口铸铁中加入0.8%钨和0.5%铜，可使铸态硬度由HRC0提高到55HRC，冲击韧性由4.0J/cm2提高到7.5J/cm2。钨元素能够促进强碳化物形成，使碳化物稳定性增加，材质硬度提高等优点，事实证明添加0.8%钨可有效地阻止渗碳体的分解在热处理时，铜和镍有相似的性质，可以增加珠光体的数目，细化铸态组织，大大的提高了冲击值。3.4 铬系白口铸铁3.4.1低铬白口铸铁在中国，低铬白口铸铁的热处理：采用冲天炉熔炼，成本非常低，而且其耐磨性

46、很高，以M3C型为主的碳化物，呈连续网状分布状态，有非常大的脆性及相当低的韧性，只适用于基本上没有冲击载荷作用的磨损工作环境。低铬白口铸铁在实际应用中性能往往达不到要求，通常会对低铬白口铸铁进行变质处理，可以提高其性能，使其达到实际使用的性能要求。例如对于低铬白口铸铁进行复合变质剂处理，一般是选用稀土硅铁合金、钒铁、钛铁、金属碲等元素，促使低铬白口铸铁晶粒细化、提高冲击韧度。通过变质处理后的低铬白口铸铁，需要在850高温下进行淬火热处理，然后还需要经过回火热处理，回火温度为350，热处理后的变质低铬白口铸铁力学综合性能相当良好，硬度值提高，达到了56.5HRC，冲击韧性也有很大的改善，其冲击韧

47、度值为11.0J/cm2。所以经过热处理后的低铬白口铸铁将能被更广泛的应用13。3.4.2中铬白口铸铁对于中铬白口铸铁实际生产来说，热处理是一个不可或缺的重要工艺，热处理后的中铬白口铸铁，在砂型铸造中才能够获得理想的组织和性能。热处理工艺的不一样，使中铬白口铸铁在砂型铸造中获得到的基体组织也有所不一样，如经过淬火处理及低温回火处理后，获得到的基体组织是以马氏体为主的。如果要得到性能极佳的中铬白口铸铁材料，需要经过淬火及回火的处理，淬火温度一般为880920之间，回火温度一般在280350之间14。如果想要获得马氏体-贝氏体-奥氏体混合组织或者奥氏体-贝氏体混合组织，需要先经过奥氏体化，然后再进

48、行等温淬火，奥氏体化的温度为1000，等温淬火的温度为29015；前两者相比较，在冲击载荷作用下及高应力湿磨料磨损状况下马氏体-贝氏体-奥氏体基体混合组织的耐磨性优于以马氏体基体为主的组织的耐磨性；另外，通过特别的热处理工艺，可以获得以奥氏体基体为主的组织；利用金属型铸造中铬白口铸铁能够获得以屈氏体基体为主的组织；利用阶梯淬火热处理工艺，可以使中铬白口铸铁的性能达到与镍硬型铸铁性能相当的水平，相对于镍硬型铸铁来说，中铬白口铸铁的性能高出其20%30%。在生产中铬白口铸铁的过程中，通常选用复合变质剂（稀土硅铁和低碳铬铁组成）对中铬白口铸铁进行变质处理，变质处理后，中铬白口铸铁组织形态、晶粒细化都

49、得到了改善，提高了中铬白口铸铁的冲击韧性。在实际生产应用中，根据不同的生产需求，对于中铬白口铸铁需要采用不同的热处理工艺，以获得实际应用中所需要的中铬铸铁的性能。3.4.3高铬白口铸铁高铬白口铸铁的特点是共晶碳化物为六角形杆状及曲面板条状的（Cr,Fe）7C3型碳化物，呈断网状分布，显微硬度高达HV13001800，而且韧性和耐磨性也较高。高铬白口铸铁在进行淬火热处理时，其加热速率一般在100/h200/h之间，奥氏体化温度在8501100之间，奥氏体化时间=2h+1/2h/模数（cm）16。经过研究认为在应力较低或者应力较高的磨料磨损工作条件下，高铬白口铸铁的热处理过程中不需要进行回火工艺处

50、理，空淬后就可以应用于生产铸造部件，不仅能够使能源得以节约，还能够大大的减短成品的生产时间，同时其抗磨应用年限比回火者高17。不一样的铸造工艺获得高铬白口铸铁的组织及其性能也不相同，如高铬铸铁利用砂型铸造获得的组织及性能和利用金属型铸造时获得的组织及性能就有非常大的差异。研究发现，如果能够使冷却速度掌控的比较合适，高铬白口铸铁能够得到贝氏体、奥氏体和屈氏体等基体组织，如果需要得到的高铬白口铸铁性能稳定、铸造成本较低的话，需采用金属型铸造，获得屈氏体基体组织，这样的高铬白口铸铁应用性才能更加的广泛18。3.5 工程陶瓷材料氮化硅基材料：氮化硅属共价键结合的化合物, 成型烧结非常困难。目前国内外主要成型方法有: “反应烧结” ,“热压、常压烧结”、“重烧结”及“热等静压烧结”等工艺。由于热压、热等静压设备投资非常大, 产品尺寸受到限制, 产量低、故而把研究重点放