耐磨材料的发展问题及方向

耐磨材料的发展大致可分为普通白口铸铁，镍硬铸铁，高铬白口铸铁3个阶段。

1普通白口铸铁
我国早在战国时期就已经能够制造可锻铸铁农具，而作为专门的耐磨材料则采用低硅(<1.0%)碳(>3.5%)、高猛和高硫来得到完全的白口组织。

普通白口铸铁由于没有加入必要的合金元素，其显微组织是由珠光体和网状渗碳体或莱氏体组成，显微硬度在HV500左右，因网状渗碳体脆性很大，不适合高应力磨损的需要。

但白口铸铁的生产工艺简单，价格低廉，故在工业上一些特定场合仍有应用，其研究工作仍在进行，如近些年来在通过微合金化来改善白口铸铁的力学性能和使用性能方面做了大量的工作。

白口铸铁经过等温淬火，使基体组织呈贝氏体，共晶碳化物呈粒状，有利于提高其冲击韧性，可用来制造磨球和小型衬板。

微合金化可有效的改善白口铸铁的力学和使用性能，北京科技大学、沈阳铸造研究所研究发现微量的Nb可使低合金冷硬铸铁轧辊的使用寿命提高2 5%。

刘可如发现微量硼有助于提高白口铸铁的耐磨性和硬度。

孙玉福对变质锰硼耐磨白口铸铁的工艺及热处理进行了研究。

2镍硬铸铁
镍硬白口铸铁是Climax国际公司在1928年研制成功的，这是耐磨白口铸铁发展的重要标志。

它是在普通白口铸铁中加入3.0~5.0%Ni和1.5%~3.5%Cr,促使奥氏体延迟向珠光体及贝氏体转变，同时铬能抑制镍的石墨化作用，有助于形成稳定的渗碳体，在铸态条件下就能生成马氏体基体和MC型碳化物组织。

其硬度HB550~650）和强度都优于普通白口铸铁且生产工艺简单，故较早得到了广泛应用。

镍硬铸铁在美国、英国和德国已纳入国家标准，其镍硬4号，Cr含量提高到9%共晶碳化物的晶体结构由原来M3C型转变成M7C3型，从一定程度上破坏了网状分布，其力学性能仅次于Cr15- M03型高铬白口铸铁。

虽然镍硬铸铁在生产工艺上比较简单，但其本质的脆性使其应用受到很大的限制回。

我国从国外引进的镍硬铸铁主要用于杂质泵过流部件的生产上如泵壳、叶轮、护板等。

我国镍硬铸铁的生产较少，主要是由于我国的镍资源比较缺乏，价格昂贵。

昆明理工大学曾在这方面进行过大量的研究。

3铬系白口铸铁
铬系白口铸铁几乎是与镍硬铸铁同时发展起来的，美国率先进行了含10%~30%Cr 的高铬白口铸铁的研究，而后英国、前苏联、德国等也相继进行了大量的生产性研究。

20世纪60年代以后，由于电炉熔炼的广泛应用，使得高铬铸铁得到相当大的发展。

铬元素的加入，使碳化物结构类型由网状M3C型变为孤立的M7C3型，这样不仅提高了耐磨性，而且提高了韧性，其使用效果比镍硬铸铁更好。

因此，高铬铸铁问世以来，一直被认为是比较理想的耐磨材料，应用十分广泛。

低铬白口铸铁(Cr≤5%）生产工艺简单。

我国大多数采用冲天炉熔炼，价格低廉、耐磨性较高，但其碳化物以连续网状分布的M3C型为主，韧性较低，脆性大，因而只能应用于基本无冲击的磨损场合。

含铬l2%以上的铸铁通常称为高铬铸铁，必须采用电炉熔炼，其生产成本比低铬铸铁高，但其耐磨性和耐冲击的性能要高的多，可用于有一定冲击力的磨损工况。

在铬系耐磨铸铁中，随铬含量的增加，合金的凝固特性发生改变，碳化物的类型逐渐从低铬铸铁中三维连续的网状的（Fe，Cr）。

C型转变为高铬铸铁中硬度高且呈孤立杆状分布的（Fe，Cr)7C3和（Fe，Cr）23C b另外其杆状碳化物硬度具有各向异性，通常杆状的横剖面上硬度高达HVl990,而纵剖面为HVl450。

这就赋予了高铬铸铁较高的耐磨型和韧性，而且还给材料研究者提供了一个重要信息，即如果
采用定向凝固技术，使碳化物的杆垂直于磨损面，就有可能提高铸件的使用寿命。

有关研究表明，采用定向凝固技术，可使耐磨性大幅度提高。

高铬铸铁被国内外公认具有优异的耐磨性。

但j M Berez的试验结果指出，在碾磨水泥熟料（HV450)时，高铬铸铁磨球的耐磨性要比锻钢磨球高出10倍；碾磨长石约（HV500）时高出2-3倍；而碾磨石英（HV800- 1000)或含Si0、较高的物料时仅仅高出20%- 30%可见高铬铸铁用来碾磨硬度在（HV500-600）以下的磨料时，在经济上才是合理的。

另外由于以下两方面原因，使高铬铸铁的应用受到限制：一是生产成本高，不仅原材料成本高，且需要电炉熔炼；二是在矿山湿磨条件下腐蚀较为严重不宜使用。

为此，在这方面进行了大量的研究，先后开发了含钒／硼锰的白口铸铁。

西安理工大学针对金属矿山湿式球磨机工况开展了一系列的耐磨铸铁试验研究。

宁国耐磨材料厂研究了Cr24及含V/ Ti的Cr24高铬铸铁磨球。

华北电力大学则研究了回火温度对高铬铸铁耐磨性和冲击韧性的影响。

合肥水泥研究所通过对高铬铸铁工艺的研究，使在水泥厂破碎熟料的锤头寿价比为高锰钢的2.5-3倍。

目前，对于高铬铸铁的研究取得了很大的进展。

在提高韧性方面，主要采用微合金化、除气处理、热塑性变型处理、高温处理、等温处理、悬浮铸造、过滤处理和加筋复合处理。

而对于抗腐蚀性，即在湿磨条件下使用的高铬铸铁，则主要靠增加铬的含量以及添加合金元素。

2高锰钢
奥氏体高锰钢在强烈冲击或重力挤压的工况条件下，其奥氏体组织转变为层错孪晶强化的马氏体，使表面迅速硬化，硬度从HBl70- 225提高到HB500-800，而心部依然保持原有的硬度和韧性，因而广泛应用于冲击磨损的工件。

我国在20世纪50- 60年代几乎把高锰钢作为一种万能的耐磨材料使用，但在实践过程中发现，高锰钢的起始硬度低，如果在使用中不能发生加工硬化，就无法发挥高锰钢潜在的耐磨能力，表现得非常的不耐磨。

于是在高锰钢的熔炼方面发展了吹氩、吹氮、炉外精炼等工艺，提高钢的纯净度，采用悬浮浇注、表面合金化、爆炸硬化等手段以增加其耐磨性。

高锰钢的另一个缺点是屈服强度低(350MPa)在使用过程中极易发生塑变，造成工件的尺寸超差以及维修的不便。

为提高耐磨性，一般采用降低Mn含量和提高C含量的方法，降低奥氏体的稳定性。

提高加工硬化能力，并由此研制出奥氏体中锰钢和高碳高锰钢，水韧处理后在冲击条件下塑性变形诱发产生大量的。

位错马氏体，由于形变a马氏体强化远高于高锰钢的层错孪晶强化，故而其耐磨性要高得多。

在降低Mn含量来提高耐磨性的同时，研究发现Mn对C元素有拖曳作用，这为高锰钢的发展提供了一条新的设计思路，即在标准高锰钢的基础上提高Mn 含量，可以同时提高其加工硬化能力，耐磨性和安全性。

研究发现超高锰钢在低中冲击工况下的耐磨性优于高锰钢，而在高冲击下则比高锰钢差。

目前，对于高锰钢的研究主要集中在合金化和工艺方丽。

基于高锰钢基体强度低的特点，可以添加合金元素铬、钼引起固溶强化，添加Ti、V等碳化物形成元素，通过弥散热处理获得奥氏体基体上弥散分布有碳化物硬质点的组织结构。

这些弥散的硬质点不但本身硬而耐磨，而且还可通过奥罗万机制阻碍位错运动，提高加工硬化能力，进而提高耐磨性。

工艺上的改进是利用铸后余热。

3贝氏体球铁和贝氏体钢
3 1贝氏体球铁
贝氏体球铁的基本组织是针状铁索体贝氏体）、稳定的奥氏体和球状石墨，
及少量的弥散碳化物。

按组织和性能可分为两类：一类是奥氏体十贝氏体为基体，称为奥贝球铁（ADI）另一类是少量碳化物+贝氏体为基体，称为贝氏体球铁（BDI）。

ADI是20世纪70年代通过高温淬火获得的一种新型铸铁材料，它具有高强度、高延伸率和高冲击值等良好的综合机械性能，特别是它具有高的弯曲疲劳强度和耐磨性。

ADI的性能变化范围可调，主要用在耐磨、耐冲击、高强度、高韧性和耐疲劳的场合。

可用于曲轴、链轮、耐磨衬板，还能满足破碎机、推土机、挖掘机等易磨损部位的耐磨损、冲击和疲劳的要求。

目前，我国尚没有单一基体的贝氏体球铁产品，所谓的贝氏体球铁产品其实是马氏体／贝氏体复合相球铁，其基本组织由马氏体和贝氏体组成，另外有少量的碳化物及奥氏体。

目前应用奥-贝球铁还存在一些问题：①加工硬化会导致加工困难；②等温淬火工艺费时耗能，大型工件难于实现。

对于探索铸态奥一贝球铁来代替等温淬火工艺目前仍处于实验室阶段，仍需要进行大量的研究。

随着对贝氏体相变与贝氏体组织基础理论的深入研究，贝氏体组织钢得到越来越多的应用。

实践证明，贝氏体组织具有高的强韧性和耐磨性，是一种很好的耐磨材料组织结构，并先后开发出奥氏体一贝氏体双相钢，马氏体一贝氏体双相钢等贝氏体钢。

3 2奥氏体一贝氏体双相钢
最近十几年在贝氏体转变的研究中发现，硅含量的增加，可强烈的抑制碳化物析出，获得无碳化物贝氏体。

利用等温淬火工艺研制出了Mn- Si系等温淬火奥一贝钢，该钢只含有Si、Mn合金元素，且组织集中了贝氏体的高强度与奥氏体的优异韧性与应变强化能力，具有高的屈服强度、韧性和耐磨性。

3 3马氏体一贝氏体钢
马一贝钢是通过连续冷却方式获得的，通过加入Mn. Si、B来抑制先共析铁索体，珠光体的转变，而凸出贝氏体转变区，在较大的冷速范围内得到贝一马组织，获得空冷贝氏体钢。

清华大学“国家科委贝氏体钢研究和开发中心”，多年来在Mn- B系空冷贝氏体耐磨钢方面作出了开创性工作。

Mn-B贝氏体钢目前，对于贝氏体钢的研究主要集中在高强度，高韧性方面以及微合金化方面。

最近的研究发现，硅能有效的抑制贝氏体中脆性碳化物的析出，代之以韧性的薄膜状的残余奥氏体，且分布在贝氏体铁索体亚片条，亚单元及超亚单元之间，可显著的改善贝氏体钢的强韧性，而硅可显著的提高产生回火脆性的温度范围，使钢可以在较高的温度下回火，更好的消除残余应力，提高钢的韧性。

3 4贝氏体铸钢
铸态贝氏体钢是近年来发展的热点。

它以碳、硅、锰为主要合金元素，添加其它微量的合金元素，在铸态下获得细条状贝氏体和薄膜状奥氏体均匀交替分布的组织，具有高硬度、高韧性的特点。

可以在铸态下使用，不需要重新进行热处理，而且合金元素的含量较低（<5%），价格低廉。

其获得奥-贝组织的关键是利用硅1.4%-2.4%在贝氏体转变过程中强烈的抑制碳化物的析出，同时硅可以提高铸钢的流动性，改善铸造性能，提高抗磨性能，与锰(2.O%—3。

0%）配合可以明显的提高淬透性从而达到铸态自硬化的目的。

另外，微合金化有利于改善铸态的结晶组织，细化晶粒，净化晶界去除钢中的有害夹杂，提高铸钢件的韧性。

目前对于铸态贝氏体钢的研究已开展了大量的工作，主要集中在合金成分的设计及微合金化方面。

4 我国耐磨材料的发展方向
目前国内外对耐磨材料的需求在不断增长，为了不断提高我国耐磨材料的品质，应从以下几点抓起：
(1)提高冶金质量我国耐磨件生产企业使用感应炉的居多，用电弧炉的较少，拥有精炼设备的更少。

这是因为我国许多生产厂把注意力都放在材料的成分配方和热处理方面。

对熔炼只是简单的采取化钢的方法，结果钢液洁净度低，磷、硫等杂质偏高。

致使原材料的某些不良结晶组织遗传到新的铸件中，造成铸件品质的先天不足。

目前提高冶金质量主要是推广电弧炉熔炼或配以炉外精炼。

而电渣技术是精炼技术中最为成熟可靠的方法，也是一种投资少，上马快，操作简便，所精炼的钢液品质优良且稳定的使用方法；
(2)积极研究和推广耐磨材料的加工工艺在耐磨
材料的成分设计和组织优化设计及力学性能、耐磨性能及磨损机理的研究方面，我国已经达到国际水平，但加工工艺水平仍有较大的差距。

我国目前绝大多数耐磨铸件的生产，手工湿砂型铸造生产居多，生产效率低，内在质量不易控制，表面质量差，突出表现在铸件变形量大，尺寸精度低。

目前，我们应该积极的推广先进的铸造工艺，如失模铸造、金属型覆膜砂铸造、自硬树脂工艺、离心铸造等；积极的探索新的加工工艺，如定向凝固技术、快速凝固技术以及微重力铸造工艺的材料，消除严重影响钢材强韧性的偏析现象以及形成溶解度比通常大的多的过饱和固溶体，从而显著的提高耐磨材料的强韧性。

另外一些加工工艺也是目前研究的热点，如铸渗技术、CFM粉末冶金技术；
③计算机模拟技术目前已经证明合金化及控制冷却对于改善钢的强韧性有很大作用。

但在合金元素的种类，数量以及冷却参数的选择上，需要大量的实验分析。

利用计算机技术，根据材料所需求的性能来确定组织，进而确定其成分以及控制冷却的参数。

可以极大的缩短产品开发周期，达到最优设计。

例如可开发凝固模拟技术利用金属物理学、晶体结构学、量子力学、热力学等计算合金的结构来预测组织和力学性能；
(4)建立严格的材料检验、检测制度耐磨材料要提高竞争力，就必须生产出内在、外观质量均优良的产品。

近年来，学术界、企业界都认识到生产优质的产品必须有良好的设备，完善的检测手段。

我国的耐磨材料要与国际接轨，就必须建立严格的质量管理制度，从原料入厂到熔炼、加工工艺，都要严格遵守，要完善和健全测量仪器、成分分析、力学性能测试、探伤等检测设备，建立完整的质量保证体系，保证产品的市场竞争力；
(5)正确的选择和使用耐磨材料磨料磨损的特征和机理具有多样性。

耐磨材料是否耐磨不仅与材料本身的质量有关系，而且还与铸件本身服役的具体工况有关。

过去，曾经认为高锰钢是一种万能耐磨材料，在什么样的场合下都可以使用。

如破碎机的锤头，其磨损方式以冲击凿削为主，伴随有冲刷显微切削磨损。

但人们在选择材质时，不分锤头大小，习惯上一律选择高锰钢。

但事实证明，12 kg以下的小锤头不能充分发挥高锰钢的加工硬化作用。

所以，没有那一种耐磨材料能同时适合各种不同的磨损场合，必须针对具体工况进行选材。

耐磨材料未来发展的主要趋势体现在如下方面：
（1）昂贵元素的替代用廉价的硼、稀土、钛、硅、锰、铬等元素，部分或全部取代价格昂贵钼、镍、钒、钨、铌等合金元素，以降低耐磨材料制造成本。

（2）热处理技术的改进采用环保的液态淬火冷却介质，取代风淬、空淬、盐
浴淬和油淬，实现耐磨材料淬透性、淬硬性和硬度均匀性的明显提高。

（3）以铸代锻采用孕育、变质、悬浮铸造、电磁搅拌、振动浇注等工艺手段，使耐磨铸件凝固组织细化和致密化，并使强化硬质相的形态和颁布得到明显的改善，以提高耐磨铸件的强韧性，实现耐磨铸件的以铸代锻。

（4）绿色制造和精确成形采用消失模铸造、离心铸造、金属型铸造等先进铸造技术，取代普通砂型铸造，提高耐磨铸件的表面质量和尺寸精度。

特别需要指出的是，普通消失模铸造耐磨铸钢件，增碳现象严重，影响耐磨铸件的安全使用。

作者将消失模铸造和蜡模挂砂工艺相结合，解决了消失模铸造耐磨铸钢件的增碳难题，还明显提高了铸件的表面质量。

（5）复合铸造成复合铸造是解决耐磨材料硬度高和韧性低这对矛盾的有效方法，其成败的关键是提高复合层的结合强度，防止使用中出现分层和开裂。

（6）表面合金化表面合金化技术是针对部分工件的磨损主要发生在表面（如轧钢机导卫板、轧辊、磨辊等）的现状而发展起来的，目前主要采用铸渗、堆焊、喷涂等方法实现表面合金化，今后的重点是提高表面现象合金化层的厚度，并改善表面合金化层的质量，延长其使用寿命。