几种耐磨材料的研究与进展

几种耐磨材料的研究与进展

摘要：为了了解国内耐磨材料的研究与进展情况，本文对近年来耐磨自润滑发展进行了研究。研究表明：(1)在耐磨材料研究和发展中，应充分分析典型磨损工况，了解各种磨损机理所占比重，从而确定对耐磨材料的要求，以进行合理的合金和组织设计。(2)耐磨钢的发展方向在于通过合金化强化基体,提高其起始硬度和屈服强度，以改善低冲击、低应力磨损条件下的耐磨性,扩大其应用范围,并防止变形[1]。(3)低、中合金耐磨钢通过合金设计和适当热处理，获得具有较高硬度，足够韧性，良好耐磨性的组织，可在较大冲击、较高应力的磨料磨损工况条件下使用。

关键词：耐磨材料自润滑摩擦磨损

引言

材料的破坏有3种形式：即断裂、腐蚀和磨损。材料磨损尽管不象另外两种形式那样，很少引起金属工件灾难性的危害，但其造成的经济损失却是相当惊人的。据早期统计，由磨损造成的经济损失,美国约150亿美元/年，西德约100亿马克/年，前苏联约120亿卢布/年。在各类磨损中,磨料磨损又占有重要的地位，在金属磨损总量中占50%，在冶金矿山、建材、电力、农机、煤炭等行业磨料磨损尤为严重因此，研究和发展用于磨料磨损条件下的耐磨材料，以减少金属磨损，对国民经济有重要的意义[2]。

根据各类磨损机理与材料性能的关系，可提出对耐磨材料的常规要求：a、较高硬度、一定塑性；b、足够韧性和脆断抗力；c、高的应变疲劳和剥层疲劳抗力；d、高的淬透性和获得足够深的淬透层；e、良好的工艺性和生产工艺方便易行[3]。

1Fe-20Ni-3.5C自润滑材料

镍基合金具有优良的热稳定性和抗腐蚀性能,在高温发动机和高温结构材料中具有极其重要的应用,近年来的研究表明,含石墨的镍基合金具有良好的自润滑性能,但由于镍的资源较短缺,价格居高不下,限制了材料的应用。用熔炼法制备了Fe含量为20%~60%(质量分数)的镍-铁-石墨-硅合金,该合金具有良好的自润滑性能并显著降低了材料成本,其实验结果表明随着铁含量的增加,合金的自润滑性能逐渐提高,

其中铁含量为60%时,合金干摩擦因数相对较低。进一步增加Fe的含量可以使材料价格进一步降低,但对合金的摩擦磨损性能和机械性能的影响需要进行研究.研究采用熔炼法制备了Fe-20Ni-3.5C合金.随着

铁含量的增加,合金析出碳化物的可能性变大,有可能减少固体润滑剂石墨的含量.硅是一种石墨化元素,可以抑制碳化物的生成,促使碳原子结晶成为石墨,提高合金中固体润滑组元的含量,而且可以固溶于奥

氏体中提高材料的强度,改善材料的摩擦磨损性能.但硅含量的增加会使合金变脆,机械性能降低.因此必须以Fe-20Ni-3.5C合金为基础,研究添加不同含量的硅对合金的凝固组织、力学性能和摩擦磨损性能的影响及其规律：

1)采用熔炼法制备出不同硅含量的Fe-20Ni-3.5C固体自润滑材料,合金组织致密,石墨分布均匀,随着硅含量的增加,结晶的石墨形态由细片状逐渐变为粗片状石墨,当硅含量增至3.5%时,石墨的生长形态趋于等轴球状；

2)随着添加硅量的增加,固溶于合金基体中的硅原子含量增加而碳含量降低,合金的硬度和抗拉强度先提高后降低,冲击韧性则随着合金硬度的降低而升高.当加入Si量达到3.5%时,由于合金基体硬度的降低及石墨的球状化,冲击韧性大幅度提高；

3)合金的磨损率随合金硬度值的提高而降低.硬度的提高,减轻了粘着磨损,降低了磨损率,其中

Fe-20%Ni-3.5%-2.5%Si具有较小的摩擦因数和较低的磨损率,其摩擦因数稳定在0.23左右,磨损形式主要以疲劳磨损为主[4]。

2稀土低合金耐磨钢焊条

在对高锰钢的研究中已经发现：在高应力状态下（如强烈冲击或挤压载荷），高锰钢产生加工硬化，

形成一层硬而耐磨的表层；在中低应力状态下，高锰钢不能充分加工硬化导致耐磨性能不能充分发挥。而在高应力条件下工作的耐磨件不足10％，大部分的耐磨件在中低应力状态下服役。低合金耐磨钢通过熔炼时加入Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、ＲＥ合金元素，然后结合热处理工艺获得马氏体和贝氏体的复合组织提高耐磨性。但其铸钢件在使用过程中会出现裂纹、磨损等缺陷，使产品报废，若及时用焊接方法修复，可节约大量资金。

含稀土元素的熔敷金属耐磨性优于不含稀土元素的熔敷层。在同等条件下测试添加稀土铈焊条和添加稀土钇焊条熔敷层的耐磨性随着磨损时间的增加，添加稀土铈焊条熔敷金属的耐磨性能要比稀土钇焊条熔敷金属的耐磨性能好。磨性的作用机理在于稀土元素是较强的内吸附元素，在结晶过程中，稀土元素将聚集在晶界表面，聚集的结果能有效地阻止晶核在较大的过冷度下快速生长，从而达到细化组织的作用；另外弥散分布在焊接熔池中的稀土化合物也可作为异质晶核，会大大提高形核率，利于晶粒的细化，细化晶粒的作用结果最终会提高熔敷金属耐磨性。

１）稀土在熔敷金属中形成高熔点的稀土硫氧化合物；稀土改善夹杂物呈球状均匀分布；稀土降低熔敷金属中的扩散氢，其综合作用结果提高了熔敷金属的冲击韧度；

２）两种焊条熔敷金属的化学成分与母材基本相当，保证了焊条与母材的匹配；

３）稀土在焊接熔池中形成的稀土化合物作为异质形核，提高形核率，细化了晶粒，从而提高熔敷金属的耐磨性；

４）添加１.５％氧化铈焊条的熔敷金属的耐磨性强于添加１.５％氧化钇焊条熔敷金属的耐磨性[5]。

3高温铜基自润滑材料

铜基自润滑材料具有抗氧化、耐腐蚀及磨合性好等特性,含油粉末冶金铜基自润滑轴承和轴瓦在纺织机械、食品机械、办公机械及汽车工业中得到了广泛的应用.然而当温度高于300℃后,铜基材料强度明显降低、耐磨性变差.为了充分发挥铜基材料的优良特性,提高铜基自润滑材料的使用温度显得尤为重要.目前,针对基于镍铬合金基高温自润滑材料的应用研究较多,而对以铜合金为基体的高温自润滑材料的应用研究较为欠缺.深入研究铜基自润滑材料在较高温度条件下的摩擦磨损性能及机理,对研制开发高温铜基自润滑材料具有重要意义.选用不同粒度的石墨颗粒作为主要润滑组分,并对铜合金基体进行合金化优化设计,采用常规的粉末冶金方法制备了铜基石墨固体自润滑复合材料,考察了其在室温至500℃温度条件下的摩擦磨损性能。

均匀分布于铜基自润滑材料基体中的石墨属于软质相,在基体中可视为孔隙,起到割裂基体的作用,

使得自润滑材料中的铜合金基体连续相呈现准连续状态.随着石墨含量的增加,其割裂基体的作用越强,

从而导致材料性能下降.由室温下铜基石墨自润滑材料的物理机械性能和摩擦磨损性能,其中石墨粒度≤0.043mm.知复合材料的密度、硬度、强度及冲击韧性等物理机械性能均随着石墨含量的增加而降低.与此同时,石墨颗粒可以改善复合材料的减摩性能,石墨含量越高,复合材料的摩擦系数和磨损体积损失越小.但当石墨含量超过8%时,虽然摩擦系数进一步减小,但复合材料的磨损体积损失因强度过低反而增大.因此,应当根据具体的工况条件确定复合材料中石墨颗粒的含量,以达到强度与润滑性能的组合平衡。

由不同粒度石墨填充铜基自润滑材料的室温力学性能和摩擦磨损性能.可以看出,石墨颗粒对复合材料的室温力学和摩擦磨损性能影响很大,当石墨含量均为8%时,复合材料在室温下的密度、硬度、冲击韧性和压溃强度均随着石墨粒度的增大而提高,而磨损体积损失随着石墨颗粒度的增大而减小.铜基石墨自润滑复合材料的强度主要取决于铜合金基体,当石墨含量一定时,石墨粒径越小,其颗粒数量越多,表面积越大,材料中的孔隙就越多,承受外力的有效横截面积减少,故材料的强度降低.当石墨颗粒较大时,有利

于铜合金基体形成连续的网络骨架,缺陷减少,故材料的整体强度、硬度和韧性得到提高.复合材料中的石墨受摩擦挤压及热的作用不断向表面提供润滑介质,在相对滑动界面形成较为稳定的润滑膜,并靠本身的“自耗”来不断补充和提供固体润滑剂、修复被撕裂或划伤的润滑膜,从而起到减摩作用.石墨颗粒越小,其在铜合金基体中的分布越均匀,越有利于向摩擦界面提供润滑介质并形成更完整的润滑膜,故减摩自润滑效果更好、摩擦系数更低。

在室温条件下,石墨颗粒粒度对铜基固体自润滑材料的力学性能和摩擦磨损性能具有一定的影响;石