几种耐磨材料在不同工况下的应用选择

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Several  wear-resisting  materals  choiced  in  the  

difference  industry  Conditions  

Wang Qiu-zhen  

（Mechanism and Engineering Department, Hubei Institute of Education, Wuhan 430205）  

Abstract: There is the wear and tear during industry production and 50% is abrasive wear and tear.  

The these discusses several poinciple of wear and teare according to its form and compostion in   

basic and traditional of China , and probes choice of fear and wear materals for difference industry  

conditions.  

Key words:   wear-resisting materal    abrasive waer and fear    industry condition   choice 

1．前言 

      有工业就有磨损，磨损是工业中材料和能源消耗的主要根源之一。其中又以磨料磨损最为严重，约占各种磨损类型的50%。美国曾有统计，每年因磨损造成的经济损失占其国民生产总值的4%。2004年底由中国工程院和国家自然科学基金委共同组织的北京摩擦学科与工程前沿研讨会的资料显示，磨损损失了世界一次能源的三分之一，机电设备的70%损坏是由于各种形式的磨损而引起的；我国每年因磨损造成的经济损失在1000亿元人民币以上，仅磨料磨损每年就要消耗300多万吨金属耐磨材料，且还以每年15%的速度在增长［1］。 

     在不同的工况条件下其材料的磨损机理是不相同的.认识耐磨材料的磨损机制,研究磨损失效原因，建立耐磨性与材料组织性能之间的关系，正确选用耐磨材料，减少磨损，提高机械设备和零件的安全寿命，具有十分重要的理论意义和巨大的社会经济效益。 

2．我国目前通用的耐磨材料及其性能 

2．1  我国目前通用的耐磨材料有以下几大系列：

   一是高锰钢系列：如高锰钢（ZGMn13）、 

     高锰合金（ZGMn13Cr2MoRe）、超高锰合金（ZGMn18Cr2MoRe）等；

  二是抗磨铬铸铁系列：如高、中、低铬合金铸铁（如Cr15MOZCu）；

  三是耐磨合金钢系列:如中、低、高碳多元金合钢（如ZG40SiMnCrMO和ZG35Cr2MoNiRe）；

  四是奥贝球铁（ADI）系列；

  五是各类复合或梯度材料及硬质合金材料：如碳化铬复合材料（Cr2C3+Q235）、高能离子注渗碳化钨材料（WCSP）、高韧硬质合金（YK25.6）等；六是各类非金属耐磨材料：如聚合陶瓷复合材料、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比较： 

2．2．1 高锰钢系列：其代表为高锰钢ZGMn13。在承受剧烈冲击或接触应力下，其表面会迅速硬化，而芯部仍保持极强的韧性，外硬内韧既抗磨损又抗冲击。且表面受冲击越重，表面硬化就越充分，耐磨性就越好。由于高锰钢自身硬度很低（HB170-230），在未硬化时耐磨性是极其有限的，若高锰钢件表面所承受冲击力不足，则表面不能充分硬化（充分硬化后表面硬度可达HB550以上，反之则在HB350以下）则耐磨性无从发挥，而呈现出不耐磨状况。 

2．2．2 抗磨高铬铸铁系列：按组织结构和使用情况，铬系铸铁可以分为三大类：第一类为具有良好高温性能的铬系白口铸铁。这种铸铁含铬量为33%，其组织多数为奥氏体和铁铬碳化物，有时也出现铁素体。这种合金除具有一定的耐磨性外，在温度不高于1050℃的高温工作条件下，具有良好的抗氧化性能。第二类为具有良好耐磨性的铬系白口铸铁（简称高铬铸铁）。这种铸铁中除含有12～20%的铬外，还含有适量的钼。这类铸铁凝固后的组织为(Fe,Cr)7C3型碳化物和γ相。当基体全部为马氏体时，这种合金的耐磨性能最好。如果基体中存在残余奥氏体，通常要进行热处理。第三类为低铬合金白口铸铁。与普通白口铸铁相比，这种铸铁中碳化物的稳定性更好。［2］ 

2．2．3 耐磨合金钢系列：又分为低合金钢、中、高合金钢。耐磨合金钢可通过调控化学成份和热处理工艺获得必要的材料的冲击韧度和硬度指标。硬度可达HRC=52～58，韧性可达到ak=15～30J/cm2。 

2．2．4 奥贝球铁（ADI）系列：它是通过等温淬火热处理或加入合金元素，使球铁基体组织由铁素体、珠光体转变为奥铁体、贝氏体和残余奥氏体。ADI具有以下一些独特的优点：①强度高、塑性好。②弯曲疲劳和接触疲劳等动载性能高。ADI的旋转弯曲疲劳强度可达400～500MPa，与调质处理低合金钢相当，ADI的接触疲劳强度可达1600～2100MPa，比低合金钢氮化处理和渗碳处理的接触疲劳强度高。③吸震性好。ADI由于弹性模量低，加上基体中存在石墨球，能迅速吸收震动并增大了噪音阻尼，使部件的运行更安静和平稳。④极好的耐磨、抗磨性。ADI的耐磨性能，比任何同等硬度水平的钢都好。⑤加工性能好：ADI大部分机械加工可以在等温淬火前完成，此时一般为铁素体球铁，其加工性能显著好于钢。 

2．2．5 复合或梯度材料系列：其代表是高能离子注渗碳化钨材料（WCSP）和碳化铬复合材料（Cr2C3+Q235）。渗碳化钨材料（WCSP）是采用高能离子注渗技术向钢铁零部件表层注渗碳化钨(WC).WC和钢基体两者是冶金结合，优势互补。表面具有WC的高硬度，高耐磨性。心部则保留了所选钢基体原来的硬度、强度和韧性。在表层与心部之间还存在一个性能渐变的梯度过渡区，有效地避免了性能突变时可能引起的材料破坏。［3］ 
锤用硬质合金：相对于高锰钢和高铬合金钢，锤用硬质合金具有更高的硬度和耐磨性。 
YK26.5: 密度:14.58（g/cm3）；硬度（CHRA）: 87.5；抗弯强度: 2650（MPa）；断裂韧性: 12——16（MPam1/2） 

2．2．6 非金属耐磨材料系列 

     非金属耐磨材料种类很多，其代表材料有陶瓷复合材料、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。 

   陶瓷复合材料：陶瓷是金属元素和非金属元素组成的晶体或非晶体化合物，熔点高、硬度高、刚度强、化学稳定性好。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合成的粉状陶瓷材料。

特点：

  （1）高的机械强度和刚度：密度大，强度可达130Mpa，能有效抵御物料的冲击力和剪切应力.

  (2)优良的韧性和抗震性：由于陶瓷耐磨料采用无定向刚纤维和定向网状增强措施，通过耦合进一步改善韧性，所以断裂韧性强，可有效防止冲击力造成的破损和剥落.

  (3)环境相容性好.［4］  

  强韧化陶瓷：其代表为增韧氧化锆（Y2O3+ZrO2）、增韧三氧化二铝（Al2O3/ZrO2）等结构性陶瓷。具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温、高强度、高硬度等优点。

  可适应金属和高分子材料难以承受的环境和工况条件。具体指标如下： 

材料  强韧氧化锆    强韧三氧化二铝    氮化硅 

组成   Y2O3+ZrO2               Al2O3/ZrO2        Si3N4 

密度g/cm3  6—6.05     3——4.5                3.2 

硬度CHRA     89        85——88        93 

抗弯强度MPa1000—1200   300—500       900 

断裂韧性MPam1/212—14      5—7         8.5 

3．耐磨材料的磨损机理 

    磨损——由于机械作用造成物体表面材料逐渐损耗。磨损失效——由于材料磨损引起的机械产品丧失应有的功能。而磨料磨损在整个磨料损耗中所占的比重超过50%。所谓磨料磨损：是由外部进入摩擦面间的硬颗粒或突出物在较软材料的表面上犁刨出很多沟纹，产生材料的迁移而造成的一种磨损现象。分析耐磨材料的磨损机理须从机件磨损的外在环境条件和耐磨材料内在特性两个方面进行考虑。 

3．1机件磨损的外在环境条件：有硬度、力度、速度、角度、温度、湿度、粒度等几个方面。 

3.1.1 硬度：在磨损的诸多特性中,物料硬度的影响最为重要。 

3.1.2力度；这里特指物料对磨料的压力。随着磨损压力的增加,磨损量随之增大,因为随着压力的增大磨料对材料的刺入深度增加,对材料表面进行切削变形的能量随之增强。 

3.1.3速度：对于不同磨损种类,磨损速度的影响是不同的。滑动磨损情况下,速度的影响并不明显。冲蚀磨损速度对磨损有重要影响，当冲击速度高到一定程度时，原本在滑动磨损或低速情况不造成磨损的物料此时也可以造成磨损。 

3.1.4角度：冲蚀磨损中冲击角度对磨损的影响非常大。冲击角度对脆性材料和韧性材料的影响不同。对于陶瓷等脆性材料，随着角度的增加磨损量增加，在接近90°角的垂直冲击条件下，磨损量达到最大，这表明脆性材料不适合在大角度冲蚀工况下使用；对于韧性材料，磨损量先是随着冲击角度增加而增加，在某一角度时达到最大值，其后随着冲击角度的增加磨损量随之下降。这表明韧性材料在低角度工况下工作容易发生磨损，而在高角度时则可充分发挥其耐磨性。这是因为韧性材料硬度较低，低角度冲蚀时磨粒对表面的切削最有利，磨损量即上升，而脆性材料在垂直冲击时，材料表面最容易碎裂剥落，所以磨损量最大。 
3.1.5温度：随着温度的升高磨损随着加大。 

3.1.6湿度：实际工程中,在金属摩擦副的情况下,液体进入对磨界面,磨损可以大大下降；可是在磨料磨损的情况下,磨料中有水分进入,磨损反而变得严重。 

3.1.7 粒度: 磨料粒径:对磨损的影响最初随着粒径的增大磨损呈线性关系增大,当达到某个数值即所谓的临界粒径之后,磨损的增长就变得缓慢,或者出现不再增长的情况。
更有意义的是物料与磨料的相对硬度，或者说是硬度比值。从对磨料磨损进行的大量试验发现，物料硬度与磨料硬度的比值与磨损量之间有如图2中的关系。图2中H1和H2分别
为物料M1和M2的硬度。两种不同硬度物料随着磨料硬度变化时的磨损体积变化以及两种物料磨损体积之比的变化规律，在图2中,对于较软的物料M1而言,当磨料的硬度小于物料的硬
度H1时，随着磨料硬度的增加，磨损上升缓慢，而当磨料的硬度上升到物料硬度左右时，磨损对磨料硬度最为敏感，当磨料硬度超过物料的硬度后，继续提高磨料的硬度对磨损没有影响。对于硬物料M2也存在同样变化规律，归纳起来可以将磨损分为三个区域：Ⅰ低磨损区，Hs<Hm[Hm/Hs>(1.25～1.13)，式中Hm为材料的硬度，Hs为磨料的硬度，Ⅱ过渡磨损区，0.8Hs<Hm<1.25Hs；Ⅲ高磨损区，Hm<1.25Hs。低磨损区Ⅰ：在Ⅰ区磨损不严重，对于硬度远高于加工物料的工件来说，造成工件有效磨损组份不是加工物料，而是其中的少量高硬度杂质，这些只占百分之几的杂质控制着磨损过程。
过渡磨损区Ⅱ：大多数的磨损常常发生在Ⅱ区，这时矿物与工件的硬度接近，提高工件的硬度可以显著地提高工件的耐磨性，这一情况对于失效分析和耐磨材料的选择具有指导意义。

     当磨料硬度进一步增加时,即进入高磨损的Ⅲ区,此时磨损不再随磨料的硬度增加或增加得缓慢,在此区内盲目提高材料的硬度,无助于磨损的改善,并且增加了成本.［5］ 

4．结论

    人们往往认为材料越硬越耐磨。实际上，盲目地追求硬度并不一定能取得理想的效果，反而会使成本大幅度提高,造成浪费。如有试验表明高铬铸铁是一种优秀的耐磨材料，但是在接近90°角冲蚀磨损时其耐磨性还不如20号钢，因此在大角度冲蚀磨损时，就不应选择这类脆性较高的材料。相反，在小角度或滑动磨损工况下，高铬铸铁远比20号钢要耐磨的多。耐磨材料应何时何地如何应用，须科学研究分析使用服役条件，充分掌握耐磨材料的性能特点，扬长避短，方能取得应用的成功。

    高锰钢韧性有余而耐磨性不足；各类合金白口铸件硬度高、耐磨性好，但韧性较差，安全可靠性低；中低合金耐磨钢介于前两者之间，奥贝球铁目前缺少普遍的应用，有待进一步的认识。而聚合陶瓷复合材料、氮化硅（Si3N4）、增韧氧化锆（Y2O3+ZrO2）、增韧三氧化二铝（Al2O3/ZrO2）等非金属材料使用在高磨损低角度冲击的场合比金属材料的使用效果更佳。 

    在用于高应力磨料磨损和冲击作用不太强的碰撞磨损条件的耐磨件，大都采用高铬铸铁。如碎矿辊、锤式破碎机锤头、球磨机衬板等。破碎机的护板、输送机的壳体、叶片、斗等应用碳化铬复合材料（Cr2C3+Q235）、高能离子注渗碳化钨材料（WCSP）效果更好。 

    此外，由于高铬铸铁具有相当好的耐蚀性能，一些同时经受磨料磨损和腐蚀作用的耐磨件，如湿磨机部件、渣浆泵叶轮和内衬等,宜用高铬铸铁制造.在有强冲击作用，要求耐磨机件有相当高的韧性，以避免机件破裂的场合，锤用硬质合金和增韧氧化锆(Y2O3+ZrO2)是一个很好的选择。若破碎机颚板破碎岩石，挖掘机挖取堆积石块等，则采用高锰钢铸件或表面淬硬的低合金钢铸件。

参考文献

［1］周平安.  耐磨材料行业的现状和发展.  西南商报·水泥商情, 2006.9.27

［2］李传栻.浅说高铬铸铁  ［J］  铸造纵横,2006（2）10-12

［3］赵天林、赵钢.   高能离子注渗碳化钨材料耐磨性分析［J］中国表面工程,2003（5）25-25

［4］蒋冬青.  耐磨陶瓷涂料在水泥设备维护中的应用   [M]长沙：湖南科技出版社，1998[2]

［5］关成君、陈再良. 机械产品的磨损—磨料磨损失效分析.  中国金相分析网

作者简介：

王秋珍(1963-),女,武汉人,副教授，毕业于武汉理工大学建材机械专业,现主要从事机械设计及机电一体化的教学与研究