耐磨材料的現(xiàn)狀與發(fā)展

1耐磨材料的發(fā)展?fàn)顩r    
 

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(jì)成本消耗中占有相當(dāng)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(jī)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(shí)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(jī)械可靠性設(shè)計(jì)、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(shí)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(jì)、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(jī)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(jī)械廠、各行業(yè)的機(jī)械修造廠和民營鑄造廠轉(zhuǎn)化而來的。現(xiàn)今，耐磨鑄件企業(yè)的數(shù)量估計(jì)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(jī)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(jì)60年代以前完成的。像球磨機(jī)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)化方面，采用了比較先進(jìn)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(dá)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(dá)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(jì)70年代到90年代這段時間里，在高錳鋼的強(qiáng)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(jì)效益，其中有些品種已經(jīng)被列入了部級或國家標(biāo)準(zhǔn)。     

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(dú)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(biāo)(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(qiáng)化或者復(fù)合材料的方法是最為經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(kuò)大應(yīng)用也意味著該行業(yè)的科學(xué)水準(zhǔn)的提高和進(jìn)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(qiáng)度等力學(xué)特性不同，它是與實(shí)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(qiáng)度試驗(yàn)與磨損試驗(yàn)測定其強(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(shí)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(diǎn)來解決磨損問題的基本出發(fā)點(diǎn)。顯然，耐磨、材料的選擇和使用必須根據(jù)其實(shí)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(zhǔn)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(jī)理的認(rèn)識以及正確的思路和豐富的材料科學(xué)知識，這樣才能達(dá)到良好的效果。 

3新型耐磨材料 

3．1普通高錳鋼的強(qiáng)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(qiáng)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(rèn)的是球磨機(jī)襯板、熟料破碎機(jī)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(qiáng)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(qiáng)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M(jìn)n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(xì)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(jī)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(xiàng)技術(shù)的技術(shù)成果和它的重大經(jīng)濟(jì)價值。   

ART采用一種由多種礦物合成的超細(xì)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?yàn)楦鞣N添加劑都是對潤滑油進(jìn)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(dú)特的作用原理和金屬表面改性性能，是一種獨(dú)特的表面強(qiáng)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(jī)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(hù)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(jī)機(jī)務(wù)段在2臺DFll型內(nèi)燃機(jī)  車的試驗(yàn)中，經(jīng)過30萬km實(shí)際運(yùn)行后其主要摩擦副仍然符合新品尺寸要求。另外，這項(xiàng)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(shí)現(xiàn)節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)這兩項(xiàng)使人類可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)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(xiàn)。 

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(jìn)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(jī)、篦冷機(jī)、輥壓機(jī)、立磨、選粉機(jī)、風(fēng)機(jī)、預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)等主機(jī)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(jī)械的保護(hù)神，它的性能、壽命也直接關(guān)系到水泥企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。    
 

但在實(shí)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(jī)時間所造成的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(hù)使用技能更值得總結(jié)和交流。