耐磨材料的现状与发展

1耐磨材料的发展状况    
 

耐磨材料在建材、火力发电和冶金矿山等工业领域的整个能量和经济成本消耗中占有相当大的比重。在矿物、水泥和煤粉等原材料的生产过程中都会因机器设备和零件的磨损而必须更换。因此，系统研究和不断开发新的耐磨材料和抗磨技术具有很大的实际意义。表1列出了在建材工业中主要的消耗工序及其典型易损件。

   

研究降低材料消耗和提高零件使用寿命是从事设备制造、加工和现场工作人员的长期而艰巨的任务。从学科领域看，它涉及到机械可靠性设计、制造、失效分析、摩擦学、材料科学、系统工程和表面工程等许多分支。而且，很多实际问题常常需要根据设备的使用工况、零件的结构设计、材料选择和应用等问题作为一个系统工程来综合考虑。     

目前，耐磨件的生产主要还是采用铸造工艺。我国铸件2003年的总产量是1 800多万吨，占世界第一，其次是美国和日本。耐磨备件总的消耗量为200万t/a占铸件总生产量9％。其中，球磨机研磨过程中的磨球和衬板消耗量分别为55％和ll％…。我国耐磨铸件生产企业的起源大多是由大型企业的专业机械厂、各行业的机械修造厂和民营铸造厂转化而来的。现今，耐磨铸件企业的数量估计有800～1 000个。其中年产万吨以上耐磨件的大、中型企业不到lO％。图1为我国耐磨铸件的类别、消耗量及所占比例。 
1磨球，110万t，55％ 
2衬板，22万t，11％ 
3破碎机锤头等，20万t，l O％ 
4铲齿，1 0万t，5％ 
5履带板等，lO万t，5％ 
6轧辊等，l O万t，5％ 
7其它，1 8万t，9％   

  

人们对耐磨材料的系统研究已经有一百多年的历史。从高锰钢、合金钢、镍硬铸铁、各种白口铸铁及高铬铸铁等不同类型的耐磨材料，都经历了研究、发展以及生产工艺不断完善和发展的基本过程。国外这些研究和应用大多是在20世纪60年代以前完成的。像球磨机磨球、衬板这样一些消耗量极大的易损件，目前已经由一些跨国公司采用较为成熟的工艺和材料进行集中批量生产，他们把较多的精力放在制造工艺和设备的完善和标准化方面，采用了比较先进和现代化的生产设备和质量控制手段，产量大，生产效率高，质量比较稳定，制造成本也大大降低。例如，比利时的马格托公司(：Magotteaux Co．)目前年产35万t铬合金耐磨备件，生产总值达3．1 3亿欧元；再如美国的原GST钢铁公司(现由Smoogan’sSteel Grinding Systemstl收购)曾经年产锻钢球达60万t。这些大公司控制了国际上一些大型矿山和水泥工业备件的主要市场。     

相对而言，我国近几十年来在耐磨材料和抗磨技术方面的研究和应用一直没有中止。特别是在20世纪70年代到90年代这段时间里，在高锰钢的强化、各种中低合金耐磨钢(包括贝氏体钢)、低铬和高铬铸铁、马氏体和贝氏体球铁等耐磨材料的系统研究和应用方面都取得了很大的成绩和显著的经济效益，其中有些品种已经被列入了部级或国家标准。     

目前，我国耐磨材料的生产已逐渐向量大、面宽和规模化发展，并已成为一个专门服务于矿山、建材和发电的原材料供应行业而独立存在。其生产工艺、设备条件以及质量控制方面也都有很大的改善，从而大大降低了易损件的消耗指标(磨耗)和成本。    
 

由于磨损问题常常仅仅发生在零件的表面和局部，因此，只要工艺上可行，采用表面局部强化或者复合材料的方法是最为经济和有效的。这些年来，表面工程在抗磨技术方面的应用也有了很大进展。例如，表面激光处理、化学热处理、热喷涂和堆焊、真空熔敷、刷镀、化学和物理气相沉积PVD、CVD以及镶嵌、复合和自修复技术等都已经在许多领域获得成功应用。这些新型抗磨技术在工业领域中的扩大应用也意味着该行业的科学水准的提高和进一步成熟和完善。 

2磨损的系统特性和提高耐磨性的基本途径   

材料的磨损特性与材料的强度等力学特性不同，它是与实际使用的工况条件密切相关的摩擦学系统特性。图2表示了材料强度试验与磨损试验测定其强度特性和磨损特性时的差别。 

    
     
由图2可见，对材料压缩时的强度极限σγ来说，它只与材料本身的性能p(1)以及变形率ζ有关，因此可以看作是材料的固有性能；反之，材料的磨损特征与复杂的系统特性有关，该系统的磨损率是由摩擦组元(1)的磨损率W1和摩擦组元(2)的磨损率W2的总和所决定的，磨损特征w实际上取决于组元(1)的性能P(1)和组元(2)的性能尸(2)以及(1)和(2)之间的相互关系R(1，2)和工作变量，如压力FN，速度V位移S等因素，即，   
 

W=W1=W2    

 W=f[P(1),P(2),R(1,2),FN,V,S]     

由此可见，材料的磨损特性不是某种材料的固有特性，而是与其实际使用的工况条件密切相关的摩擦学系统特性。解决磨损问题时，必须考虑整个系统的特性以及各组元之间的相互影响，这是用系统分析的观点来解决磨损问题的基本出发点。显然，耐磨、材料的选择和使用必须根据其实际使用的工况条件来考虑。因此，世界上没有一种万能的耐磨材料，而只有适合于某种工况条件下的、具有最佳效果的耐磨材料，这种准确的判断和选择来自于对磨损件的失效分析结果、对磨损机理的认识以及正确的思路和丰富的材料科学知识，这样才能达到良好的效果。 

3新型耐磨材料 

3．1普通高锰钢的强化和代用     

高锰钢在国内外已经成功地应用了100多年的历史了。由于它必须在充分的强烈冲击条件下才能产生加工硬化而变得耐磨，而在许多工况条件下，高锰钢并不是一种万能和有效的耐磨材料。例如，目前公认的是球磨机衬板、熟料破碎机锤头等零件在采用高锰钢材料时冲击硬化程度很低，使用寿命较短。其趋向是：采用淬火回火的耐磨低合金钢和高强度球墨铸铁来替代高锰钢。但是，有些部门在代用过程中常常出现断裂和质量不稳定的现象。这主要是他们忽略了低合金钢比高锰钢的韧性要差很多，它必须在保证冶炼质量和防止脆裂敏感性等方面提出更高要求的前提下才能成功地应用。    

 但是，高锰钢在许多承受高冲击领域还是一种理想的耐磨材料。因此，在保持原来高锰钢基本成分基础上，增加一些合金含量和利用变质剂等措施来强化高锰钢也得到成功应用。较典型的是降低有害元素P、S的含量，采用超高Mn和增加其它合金元素如Cr和Mo等以及利用V、Ti、Nb和稀土变质剂来增加脱氧和细化晶粒等方法，此方法在许多耐磨件上得到成功应用。同时，生产高锰钢同样需要注意其冶金质量，大型铸件尽可能采用氧化法冶炼，在有条件情况下，采用吹氩精炼和充分脱氧的冶炼工艺将会取得更好的效果。 

3．2非金属耐磨材料(聚乙烯超高分子材料)和复合耐磨精料与传统的金属耐磨材料相比，陶瓷和非金属耐磨材料有着比金属材料更优异的性能。但是，由于陶瓷材料的脆性，往往限制了在有冲击条件下它的应用范围。最近，利用高硬度的脆性耐磨材料和韧性较好的基体相结合的复合耐磨材料在工业中得到成功应用。最普遍的是采用高铬铸铁和高锰钢或中、低合金钢基体的复合(包铸)件；也有采用硬质合金和陶瓷材料镶嵌的复合件(如锤头和磨辊等)。复合工艺大多采用机械固定或焊接方法，很少采用冶金结合工艺。    

3．3金属磨损自修复材料     

2000年，由国家经贸委汇同国防科工委、铁道部、交通部、教育部和国家环保总局等有关部门由四位院士共17名专家参加的鉴定会上一致肯定了“金属磨损自修复材料”这项技术的技术成果和它的重大经济价值。   

ART采用一种由多种矿物合成的超细粉体材料，添加到所有类型的油品和润滑脂中使用。但从摩擦学作用原理看，它又不是传统意义上的润滑油添加剂。因为各种添加剂都是对润滑油进行二次处理而并不改变金属表面的性质，它们不具备自修复功能，而ART技术有其独特的作用原理和金属表面改性性能，是一种独特的表面强化和改『生的修复技术。   

应用金属磨损自修复材料处理过的机械零件，可以在金属摩擦表面生成一层厚度约lO微米的具有高光洁度和高硬度的耐磨保护层，其显微硬度比原始表面硬度提高1～3倍(HV690-1100)；摩擦系数比油润滑低一个数量级(A 0．003～0．007)。   

北京铁路分局内燃机机务段在2台DFll型内燃机  车的试验中，经过30万km实际运行后其主要摩擦副仍然符合新品尺寸要求。另外，这项技术也正在矿山、石油、汽车和军工等领域大量推广应用。可以预见，ART金属磨损自修复材料技术对实现节约能源和环境保护这两项使人类可持续发展的战略目标具有特别重要的意义。同时，它对传统的摩擦学润滑理论和材料科学以及表面工程等也将有重大的突破和贡献。 

4结束语    
 

总之，耐磨材料的开发和生产技术的发展为建材、冶金、矿山等工业的技术进步提供了技术支撑。在水泥生产线上，不同种类的耐磨材料广泛应用于管磨机、篦冷机、辊压机、立磨、选粉机、风机、预热预分解系统等主机设备，以及各种贮料仓、管道、阀门、溜槽中。各种高性能耐磨材料的广泛应用是新型干法水泥生产技术、各种节能高效粉磨新技术得以大规模推广应用的一个重要物质基础。可以说，耐磨材料是水泥机械的保护神，它的性能、寿命也直接关系到水泥企业的经济效益。    
 

但在实际生产中，有些耐磨材料制品由于寿命过短、频繁地更换、增加停机时间所造成的损失远远高于高性能耐磨材料的价值。高性能耐磨材料制品在水泥行业的推广应用值得重视，水泥企业对耐磨材料的维护使用技能更值得总结和交流。