金属耐磨材料

现代切削刀具及加工技术 2015.02

金属耐磨材料

随着国民经济的深入发展，新技术，新设备，新材料越来越为人们所关注。据我国冶金、建材、电力、农机、煤炭等五个系统的统计加上机械部门汽车、拖拉机、工程机械的不完全统计，我国每年消耗金属耐磨材料约达300万吨以上。那么，何谓耐磨材料？又有哪些材料属于金属耐磨材料呢？笔者将会细细道来。

一、耐磨材料简介

耐磨材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的新型材料，亦是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，同时也对改造某些传统产业，如农业、化工、建材等起着重要作用。

材料的耐磨性不仅取决于材料的硬度hm,而且最重要的决定于材料的硬度hm和磨料的硬度ha的比值，当hm/ha的比值超过一定值后，其磨损量便会迅速降低。当hm/ha比值<0.5-0.8时为硬磨料磨损，此时增加材料的硬度对材料的耐磨性增加不大；当hm/ha比值>0.5-0.8时为软磨料磨损，此时增加材料的硬度，便会迅速提高材料的耐磨性。

二、金属耐磨材料种类

经过改革开放30多年的风雨洗礼，针对我国设备磨损的具体工作条件和国内资源情况，我国广大科技工作者与生产实践相结合，研制出了多种新型耐磨材料。大体分两大类:耐磨钢和耐磨铸铁；四大系列:改性高锰钢、中锰钢、超高锰钢系列；高、中、低碳耐磨合金钢系列；铬系抗磨白口铸铁系列；锰系、硼系抗磨白口铸铁及马氏体、贝氏体抗磨球墨铸铁等。

1.1高锰钢(high manganese steel)

高锰钢ZGMn13作为历史最悠久的一种耐磨材料，范指含锰量在10%以上的合金钢。这类钢含锰量为10%～15%，碳含量一般为0.90%～1.50%，大部分在1．0%以上。其化学成分为(%)：C 0．90～1．50 Mn 10.0～15．0 Si 0．30～1.0 S≤0.05 P≤0.10

高锰刚Mn13的铸态组织通常是由奥氏体、碳化物和珠光体所组成，有时还含有少量的磷共晶。碳化物数量多时，常在晶界上呈网状出现。因此铸态组织的高锰钢很脆，无法使用，需要进行固溶处理。通常这类高锰钢的用量最多，常用来制作挖掘机的铲齿、圆锥式破碎机的轧面壁和破碎壁、颚式破碎机岔板、球磨机衬板、铁路辙岔、板锤、锤头等。

高锰钢Mn13极易加工硬化，因而很难加工，绝大多数是铸件，极少量用锻压方法加工。高锰钢的铸造性能较好。钢的熔点低(约为1400℃)，钢的液、固相线温度间隔较小，(约为50℃)；钢的导热性低，因此钢水流动性好，易于浇注成型。高锰钢的线膨胀系数为纯铁的

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1．5倍，为碳素钢的2倍，故铸造时体积收缩和线收缩率均较大，容易出现应力和裂纹，因此，铸造工艺时要格外注意。

1.2中锰钢(middle manganese steel)

中锰钢经过水韧处理后的组织为奥氏体基体，但有较多的碳化物，加入钼可以抑制铸态中的碳化物组织的析出。与Mn13相比，中锰钢的含锰量下降，奥氏体稳定性下降，在非强烈冲击下耐磨性高于标准Mn13约20-30%；而对于厚大断面的Mn13铸件，水韧处理后内部常出现碳化物而使韧性下降，低温下Mn13也常出现脆断，同时耐磨性也嫌不足，屈服强度低，而Mn18超高锰则在一定程度上解决了上述问题。

1.3超高锰钢(super manganese steel)

超高锰钢Mn18近年来,人们已开始着手对具有稳定奥氏体组织的超高锰钢进行研究，主要是想在普通高锰钢标准成分的基础上通过提高碳、锰含量来达到改善锰钢组织，提高耐磨性的目的。研究人员通过对Fe-C-Mn合金奥氏体的价电子结构进行分析发现，在含C、Mn原子的一个奥氏体晶胞内，C-Mn之间的结合力大于C-Fe之间的结合力。这样，锰原子可通过对碳原子运动的拖曳提高碳的固溶度，而且利用锰不易和碳原子生成碳化物，来降低碳原子的扩散能力，抑制碳化物的析出。因此，同时提高碳、锰含量，不但可以提高锰钢的加工硬化能力，而且可保持高韧性的奥氏体组织，使其在使用时具有良好的耐磨性。

2.1耐磨合金刚

耐磨合金刚指为满足特定的性能要求而有目的的加入其它元素，诸如铬（Cr）、镍（Ni）、钼（Mo）、铜（Cu）、硅（Si）、锰（Mn）、钒（V）、钛（Ti）、稀土（Re）、钨（W）、硼（B）甚至有些有害元素如硫（S）、磷（P）等的钢材。耐磨合金钢以化学成分元素含量的多少分为三类：第一类耐磨合金钢，合金元素总质量分数不超过5%，即低碳耐磨合金钢；第二类耐磨合金钢，合金元素总质量分数为5%-10%，即中碳耐磨合金刚；第三类，耐磨合金钢，合金元素总质量分数超过10%，即高碳耐磨合金钢。

2.2低合金耐磨钢

低合金耐磨钢以高强韧性、高硬韧性著称。其强度和硬度高于耐磨锰钢而在非大冲击磨损工作条件下可替代锰钢；其塑、韧性高于耐磨铸铁，而在一定冲击载荷的磨损工作状况下，使用寿命高于耐磨铸铁。

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碳钢的耐磨性主要是借表面硬化而获得的。W（C）>0.35%的碳钢，通常采用表面感应淬火或火焰淬火；低碳钢则可用渗碳、渗氮或碳氮共渗等工艺提高耐磨性。随着硬度的提高，其耐磨性也相应增强。在耐磨碳钢中，W（C）=0.4%-0.70%的碳钢占有重要地位，美国的铸钢火车轮就是用W（C）=0.4%-0.70%的碳钢制造的。

2.3超高碳共析钢

超高碳共析钢当属铸造石墨钢，即经过适当的热处理后，其中的一部分碳以石墨的形式析出，因而具有铸钢和铸铁的综合性能。由于存在游离石墨，这种钢是一种耐磨擦磨损的结构材料。现今石墨钢多用于制造冶金轧辊，如初轧或粗轧作业的轧辊，因为少量的石墨可以提高轧辊的抗热裂性能和抗氧化铁皮粘附性能。

3.1铬系抗磨白口铸铁

铬系抗磨白口铸铁系列按照铬含量的多少分为低铬、中铬、高铬、镍硬抗磨白口铸铁。其主要零部件有磨球、衬板、锤头,高铬渣浆泵过流件,以及高铬铸铁与钢双金属复合铸造衬板、磨辊、轧辊等，为提高高铬白口铸铁的耐磨性和使用可靠性,在高铬铸铁中加3%～5%的钒,形成高硬度的VC星型碳化物。

3.11高铬铸铁

高铬铸铁的耐磨性最好，应用最广。如中小型磨机衬板，小型破碎机锤头和板锤，立磨辊和磨盘等，大型磨机前配置了滚压机后，高铬铸铁即可扬长避短，充分发挥其优异的耐磨性，衬板使用寿命可达8年以上。

3.12低铬铸铁

低铬铸铁的硬度、韧性均大大低于高铬铸铁，主要应用于细磨仓衬板，虽然生产成本低，但应用范围窄，综合性能和抗磨指标一般。

3.13镍硬铸铁

镍硬铸铁主要应用于立磨辊和磨盘，由于其硬度韧性均逊于高铬铸铁，生产成本偏高，已逐渐退出耐磨材料市场。

3.14中铬铸铁

中铬铸铁仅用于铸球，随着铬含量降低，既降低了生产成本，又满足球的破碎率指标，市场中仍称之为高铬球。

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4.1锰系、硼系抗磨白口铸铁

锰系白口铸铁分中锰(5%～6%),高锰(7%～11%)两类。类似的，硼系白口铸铁分高碳低硼和低碳高硼两类,采用不同热处理工艺,得到相应的性能，曾由日本专家提出加硼改变高铬铸铁的碳化物形态,少量硼形成高硬度的硼化物,显著提高其抗磨白口铸铁的耐磨性。国内宁国耐磨材料厂研制Cr26BW高铬耐磨铸铁,也取得良好效果。前苏联高铬锰白口铸铁(215%～312%C,1210%～1510%Cr,315%～510%Mn)淬透性可达200mm,硬度HRC60～63,可用于制造泵件和磨机衬板。

4.2马氏体、贝氏体抗磨球墨铸铁

球墨铸铁具有优良的力学性能，且具有良好的耐磨性和抗冲击疲劳性能。自20世纪40年代研制成功以来,世界球铁产量已达百万吨以上,在汽车、农机和建材等部门得到了广泛应用。近年来许多单位研制出马氏体基体、奥贝基体、马贝基体的磨球、衬板,在建材、电力行业应用取得良好效果。我国自行开发的低合金白口铸铁,成本低,性能良好,在中、小冲击负荷下取得良好效果。

三、结论

经比较，可得出：铸铁中最具有代表性的是低铬白口铸铁和高铬白口铸铁,而且这两种材料目前在耐磨铸铁中占有主导地位；马氏体或贝氏体、马氏体组织的球墨铸铁在制作小截面耐磨件方面也占有一席之地，中铬铸铁则应用较少。从整体上看，合金白口铸铁的耐磨性优于耐磨铸钢，但后者韧性好，在诸如衬板、耐磨管道等方面有着广泛的应用。