耐磨材料的現(xiàn)狀與發(fā)展

1耐磨材料的發(fā)展狀況    
 

耐磨材料在建材、火力發(fā)電和冶金礦山等工業(yè)領(lǐng)域的整個能量和經(jīng)濟成本消耗中占有相當大的比重。在礦物、水泥和煤粉等原材料的生產(chǎn)過程中都會因機器設(shè)備和零件的磨損而必須更換。因此，系統(tǒng)研究和不斷開發(fā)新的耐磨材料和抗磨技術(shù)具有很大的實際意義。表1列出了在建材工業(yè)中主要的消耗工序及其典型易損件。

   

研究降低材料消耗和提高零件使用壽命是從事設(shè)備制造、加工和現(xiàn)場工作人員的長期而艱巨的任務(wù)。從學(xué)科領(lǐng)域看，它涉及到機械可靠性設(shè)計、制造、失效分析、摩擦學(xué)、材料科學(xué)、系統(tǒng)工程和表面工程等許多分支。而且，很多實際問題常常需要根據(jù)設(shè)備的使用工況、零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇和應(yīng)用等問題作為一個系統(tǒng)工程來綜合考慮。     

目前，耐磨件的生產(chǎn)主要還是采用鑄造工藝。我國鑄件2003年的總產(chǎn)量是1 800多萬噸，占世界第一，其次是美國和日本。耐磨備件總的消耗量為200萬t/a占鑄件總生產(chǎn)量9％。其中，球磨機研磨過程中的磨球和襯板消耗量分別為55％和ll％…。我國耐磨鑄件生產(chǎn)企業(yè)的起源大多是由大型企業(yè)的專業(yè)機械廠、各行業(yè)的機械修造廠和民營鑄造廠轉(zhuǎn)化而來的?，F(xiàn)今，耐磨鑄件企業(yè)的數(shù)量估計有800～1 000個。其中年產(chǎn)萬噸以上耐磨件的大、中型企業(yè)不到lO％。圖1為我國耐磨鑄件的類別、消耗量及所占比例。 
1磨球，110萬t，55％ 
2襯板，22萬t，11％ 
3破碎機錘頭等，20萬t，l O％ 
4鏟齒，1 0萬t，5％ 
5履帶板等，lO萬t，5％ 
6軋輥等，l O萬t，5％ 
7其它，1 8萬t，9％   

  

人們對耐磨材料的系統(tǒng)研究已經(jīng)有一百多年的歷史。從高錳鋼、合金鋼、鎳硬鑄鐵、各種白口鑄鐵及高鉻鑄鐵等不同類型的耐磨材料，都經(jīng)歷了研究、發(fā)展以及生產(chǎn)工藝不斷完善和發(fā)展的基本過程。國外這些研究和應(yīng)用大多是在20世紀60年代以前完成的。像球磨機磨球、襯板這樣一些消耗量極大的易損件，目前已經(jīng)由一些跨國公司采用較為成熟的工藝和材料進行集中批量生產(chǎn)，他們把較多的精力放在制造工藝和設(shè)備的完善和標準化方面，采用了比較先進和現(xiàn)代化的生產(chǎn)設(shè)備和質(zhì)量控制手段，產(chǎn)量大，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量比較穩(wěn)定，制造成本也大大降低。例如，比利時的馬格托公司(：Magotteaux Co．)目前年產(chǎn)35萬t鉻合金耐磨備件，生產(chǎn)總值達3．1 3億歐元；再如美國的原GST鋼鐵公司(現(xiàn)由Smoogan’sSteel Grinding Systemstl收購)曾經(jīng)年產(chǎn)鍛鋼球達60萬t。這些大公司控制了國際上一些大型礦山和水泥工業(yè)備件的主要市場。     

相對而言，我國近幾十年來在耐磨材料和抗磨技術(shù)方面的研究和應(yīng)用一直沒有中止。特別是在20世紀70年代到90年代這段時間里，在高錳鋼的強化、各種中低合金耐磨鋼(包括貝氏體鋼)、低鉻和高鉻鑄鐵、馬氏體和貝氏體球鐵等耐磨材料的系統(tǒng)研究和應(yīng)用方面都取得了很大的成績和顯著的經(jīng)濟效益，其中有些品種已經(jīng)被列入了部級或國家標準。     

目前，我國耐磨材料的生產(chǎn)已逐漸向量大、面寬和規(guī)?；l(fā)展，并已成為一個專門服務(wù)于礦山、建材和發(fā)電的原材料供應(yīng)行業(yè)而獨立存在。其生產(chǎn)工藝、設(shè)備條件以及質(zhì)量控制方面也都有很大的改善，從而大大降低了易損件的消耗指標(磨耗)和成本。    
 

由于磨損問題常常僅僅發(fā)生在零件的表面和局部，因此，只要工藝上可行，采用表面局部強化或者復(fù)合材料的方法是最為經(jīng)濟和有效的。這些年來，表面工程在抗磨技術(shù)方面的應(yīng)用也有了很大進展。例如，表面激光處理、化學(xué)熱處理、熱噴涂和堆焊、真空熔敷、刷鍍、化學(xué)和物理氣相沉積PVD、CVD以及鑲嵌、復(fù)合和自修復(fù)技術(shù)等都已經(jīng)在許多領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用。這些新型抗磨技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的擴大應(yīng)用也意味著該行業(yè)的科學(xué)水準的提高和進一步成熟和完善。 

2磨損的系統(tǒng)特性和提高耐磨性的基本途徑   

材料的磨損特性與材料的強度等力學(xué)特性不同，它是與實際使用的工況條件密切相關(guān)的摩擦學(xué)系統(tǒng)特性。圖2表示了材料強度試驗與磨損試驗測定其強度特性和磨損特性時的差別。 

    
     
由圖2可見，對材料壓縮時的強度極限σγ來說，它只與材料本身的性能p(1)以及變形率ζ有關(guān)，因此可以看作是材料的固有性能；反之，材料的磨損特征與復(fù)雜的系統(tǒng)特性有關(guān)，該系統(tǒng)的磨損率是由摩擦組元(1)的磨損率W1和摩擦組元(2)的磨損率W2的總和所決定的，磨損特征w實際上取決于組元(1)的性能P(1)和組元(2)的性能尸(2)以及(1)和(2)之間的相互關(guān)系R(1，2)和工作變量，如壓力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]     

由此可見，材料的磨損特性不是某種材料的固有特性，而是與其實際使用的工況條件密切相關(guān)的摩擦學(xué)系統(tǒng)特性。解決磨損問題時，必須考慮整個系統(tǒng)的特性以及各組元之間的相互影響，這是用系統(tǒng)分析的觀點來解決磨損問題的基本出發(fā)點。顯然，耐磨、材料的選擇和使用必須根據(jù)其實際使用的工況條件來考慮。因此，世界上沒有一種萬能的耐磨材料，而只有適合于某種工況條件下的、具有最佳效果的耐磨材料，這種準確的判斷和選擇來自于對磨損件的失效分析結(jié)果、對磨損機理的認識以及正確的思路和豐富的材料科學(xué)知識，這樣才能達到良好的效果。 

3新型耐磨材料 

3．1普通高錳鋼的強化和代用     

高錳鋼在國內(nèi)外已經(jīng)成功地應(yīng)用了100多年的歷史了。由于它必須在充分的強烈沖擊條件下才能產(chǎn)生加工硬化而變得耐磨，而在許多工況條件下，高錳鋼并不是一種萬能和有效的耐磨材料。例如，目前公認的是球磨機襯板、熟料破碎機錘頭等零件在采用高錳鋼材料時沖擊硬化程度很低，使用壽命較短。其趨向是：采用淬火回火的耐磨低合金鋼和高強度球墨鑄鐵來替代高錳鋼。但是，有些部門在代用過程中常常出現(xiàn)斷裂和質(zhì)量不穩(wěn)定的現(xiàn)象。這主要是他們忽略了低合金鋼比高錳鋼的韌性要差很多，它必須在保證冶煉質(zhì)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應(yīng)用。    

 但是，高錳鋼在許多承受高沖擊領(lǐng)域還是一種理想的耐磨材料。因此，在保持原來高錳鋼基本成分基礎(chǔ)上，增加一些合金含量和利用變質(zhì)劑等措施來強化高錳鋼也得到成功應(yīng)用。較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和稀土變質(zhì)劑來增加脫氧和細化晶粒等方法，此方法在許多耐磨件上得到成功應(yīng)用。同時，生產(chǎn)高錳鋼同樣需要注意其冶金質(zhì)量，大型鑄件盡可能采用氧化法冶煉，在有條件情況下，采用吹氬精煉和充分脫氧的冶煉工藝將會取得更好的效果。 

3．2非金屬耐磨材料(聚乙烯超高分子材料)和復(fù)合耐磨精料與傳統(tǒng)的金屬耐磨材料相比，陶瓷和非金屬耐磨材料有著比金屬材料更優(yōu)異的性能。但是，由于陶瓷材料的脆性，往往限制了在有沖擊條件下它的應(yīng)用范圍。最近，利用高硬度的脆性耐磨材料和韌性較好的基體相結(jié)合的復(fù)合耐磨材料在工業(yè)中得到成功應(yīng)用。最普遍的是采用高鉻鑄鐵和高錳鋼或中、低合金鋼基體的復(fù)合(包鑄)件；也有采用硬質(zhì)合金和陶瓷材料鑲嵌的復(fù)合件(如錘頭和磨輥等)。復(fù)合工藝大多采用機械固定或焊接方法，很少采用冶金結(jié)合工藝。    

3．3金屬磨損自修復(fù)材料     

2000年，由國家經(jīng)貿(mào)委匯同國防科工委、鐵道部、交通部、教育部和國家環(huán)?？偩值扔嘘P(guān)部門由四位院士共17名專家參加的鑒定會上一致肯定了“金屬磨損自修復(fù)材料”這項技術(shù)的技術(shù)成果和它的重大經(jīng)濟價值。   

ART采用一種由多種礦物合成的超細粉體材料，添加到所有類型的油品和潤滑脂中使用。但從摩擦學(xué)作用原理看，它又不是傳統(tǒng)意義上的潤滑油添加劑。因為各種添加劑都是對潤滑油進行二次處理而并不改變金屬表面的性質(zhì)，它們不具備自修復(fù)功能，而ART技術(shù)有其獨特的作用原理和金屬表面改性性能，是一種獨特的表面強化和改『生的修復(fù)技術(shù)。   

應(yīng)用金屬磨損自修復(fù)材料處理過的機械零件，可以在金屬摩擦表面生成一層厚度約lO微米的具有高光潔度和高硬度的耐磨保護層，其顯微硬度比原始表面硬度提高1～3倍(HV690-1100)；摩擦系數(shù)比油潤滑低一個數(shù)量級(A 0．003～0．007)。   

北京鐵路分局內(nèi)燃機機務(wù)段在2臺DFll型內(nèi)燃機  車的試驗中，經(jīng)過30萬km實際運行后其主要摩擦副仍然符合新品尺寸要求。另外，這項技術(shù)也正在礦山、石油、汽車和軍工等領(lǐng)域大量推廣應(yīng)用?？梢灶A(yù)見，ART金屬磨損自修復(fù)材料技術(shù)對實現(xiàn)節(jié)約能源和環(huán)境保護這兩項使人類可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標具有特別重要的意義。同時，它對傳統(tǒng)的摩擦學(xué)潤滑理論和材料科學(xué)以及表面工程等也將有重大的突破和貢獻。 

4結(jié)束語    
 

總之，耐磨材料的開發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展為建材、冶金、礦山等工業(yè)的技術(shù)進步提供了技術(shù)支撐。在水泥生產(chǎn)線上，不同種類的耐磨材料廣泛應(yīng)用于管磨機、篦冷機、輥壓機、立磨、選粉機、風(fēng)機、預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)等主機設(shè)備，以及各種貯料倉、管道、閥門、溜槽中。各種高性能耐磨材料的廣泛應(yīng)用是新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)、各種節(jié)能高效粉磨新技術(shù)得以大規(guī)模推廣應(yīng)用的一個重要物質(zhì)基礎(chǔ)?？梢哉f，耐磨材料是水泥機械的保護神，它的性能、壽命也直接關(guān)系到水泥企業(yè)的經(jīng)濟效益。    
 

但在實際生產(chǎn)中，有些耐磨材料制品由于壽命過短、頻繁地更換、增加停機時間所造成的損失遠遠高于高性能耐磨材料的價值。高性能耐磨材料制品在水泥行業(yè)的推廣應(yīng)用值得重視，水泥企業(yè)對耐磨材料的維護使用技能更值得總結(jié)和交流。