水泥工业用耐磨材料的选择与应用

水泥工业用耐磨材料的选择与应用

作者：水泥研究鲁幼勤

在水泥的生产过程中需应用大量的耐磨材料，近几年其应用围已突破传统的铸造耐磨材料，非铸造类的耐磨材料得到更广泛的应用。就作者的研究、应用和了解的有限认识，作一介绍。

一、铸造耐磨材料

用于磨机衬板、隔仓板、篦板，破碎机锤头、板锤、反击板、颚板，立磨辊、盘等易损件的耐磨材料仍为铸造类的耐磨材料。

第一代耐磨材料------高锰钢。优点：韧性极好，在强冲击条件下产生加工硬化。缺点：易塑性变形，不耐磨。目前，高锰钢、合金高锰钢及超高锰钢仅限用于大型破碎机锤头、板锤、反击板、篦板、颚式破碎机颚板及圆锥破外锥等易损件。

第二代耐磨材料------镍硬铸铁。优点：硬度高，耐磨性好。缺点：脆性较大，应用围小。目前，仅有部分立磨辊采用镍硬铸铁，其它应用很少。

第三代耐磨材料------高铬铸铁和各类合金钢。高铬铸铁优点：硬度高，耐磨性好，韧性比镍硬铸铁大幅度提高。缺点：在高冲击条件下，韧性仍嫌不足。合金钢优点：可通过调整含碳量、加入不同含量的合金元素及相应的热处理工艺，获得宽围的硬度与韧性相匹配的综合机械性能，应用围更广。

1. 高锰钢系列耐磨材料

在大型破碎设备中高冲击力的工况条件下，大多采用标准型高锰钢，同时发展了合金高锰钢、中锰钢（6~8%Mn）和超高锰钢（16.0~19.0 %Mn）。

1.1 美国材料试验协会奥氏体锰钢铸件标准 ASTM A128/A128M-93

表1 美国奥氏体锰钢铸件化学成分（%）

1.2 日本高锰钢铸件标准 JIS G5131-1991

表2 日本高锰钢铸件化学成分(%)

1.3 中国标准《高锰钢铸件》GB/T5680-1998

表3 中国高锰钢化学成分(%)

1.4 超高锰钢

为保证厚大铸件的中心部位全为奥氏体，锰含量提高到18%，同时加入Cr、Mo、Ni 等元素，提高屈服强度和初始硬度，从而具有足够的韧性及优异的加工硬化能力，主要用于制作90kg以上大锤头。成分性能见表4。

表4 超高锰钢化学成分及机械性能

2. 镍硬铸铁

美国、日本等国在1930年前后开始使用镍硬铸铁，目前已发展到镍硬4#，铬含量

由2%提高到9%，镍含量由4%提高到6%，金相组织中的碳化物由Fe

3C型变为M

7

C

3

型，使

韧性等力学性能显著提高，铸态厚截面也可获得马氏体组织，硬度在HRC62以上，并具有一定的韧性，其特点是几吨重的大型磨辊，可以不经热处理，铸态使用，用于立式磨的磨盘和磨辊。镍硬铸铁的成分性能见表5。

表5 国际镍公司镍硬铸铁牌号、成分和性能

注：砂——砂型铸造，金——金属模铸造。

3. 高铬铸铁

美国Climax钼公司率先对含铬10~30%的合金白口铁进行了研究，发现高铬铸铁有

很多优点。第一：在含铬12%时可以形成Cr

7C

3

型碳化物，显微硬度HV1300~1800，比普

通白口铁中Fe

3

C型碳化物的显微硬度（HV800~1100）高很多，因此耐磨性好；第二：碳化物形状变为断网状、菊花状，因此比网状碳化物韧性高；此外，高铬铸铁的基体可以通过不同的热处理工艺来获得从全部奥氏体到全部马氏体的各种基体，扩大其应用围，满足不同工况条件的需要。

3.1 美国高铬铸铁成分性能

表6 美国高铬铸铁牌号、成分和性能

3.2 中国抗磨白口铸铁件成分性能

1999年我国把低、中、高铬铸铁及镍硬铸铁合并制定了《抗磨白口铸铁件》标准GB/T8263-1999。

表7 抗磨白口铸铁件牌号、成分

注：DT、GT分别表示低碳、高碳。Cr15Mo和Cr20Mo硬度≥58，其余硬度≥56。

建材行业1998年制定了标准《高铬铸铁衬板技术条件》JC/T691—1998，见表8。

表8 高铬铸铁衬板牌号、成分

注：CBCr15硬度≥52，冲击韧性≥5J/cm2；CBCr20硬度≥48，冲击韧性≥7J/cm2。

4. 耐磨合金钢

上世纪80年代以来，我国科研工作者根据高锰钢韧性富余硬度过低、高铬铸铁硬度很高韧性不足的状况，借鉴国外经验，结合我国资源，研发出多种耐磨合金钢，具有较高的韧性及硬度，综合机械性能优良，应用围更广。按含碳量和合金含量分为下列3类：

4.1低碳低合金钢

由于含碳量及合金含量均不高，热处理通常采用水淬，可获得足够高的韧性和较高的硬度，在较强烈冲击磨损条件下代替高锰钢。化学成分如表9，力学性能如表10。

4.2中碳低合金钢

水淬低碳低合金钢有良好的韧性、较低的成本，但由于碳含量低，淬火后的硬度难以进一步提高，耐磨性不足，且水淬工艺控制不好的话，铸件容易开裂。为此，增加碳含量，提高其硬度并适当牺牲韧性，通过变质处理、采用油淬或空淬的方法提高钢的综合性能，满足低、中冲击高耐磨性工况条件的要求。化学成分如表11，力学性能如表12。

4.3中碳中合金钢

由于中碳低合金钢的合金含量不高，淬透性差，油淬工艺复杂、成本高，因此又研制了适当提高合金含量、采用风淬的中碳中合金钢。具有代表性的是水泥研究89年鉴定的中碳多元合金钢，热处理采用风淬，金相组织为马氏体+弥散碳化物，力学性能为：硬度HRC42~55，冲击韧性15~50J/cm2，综合机械性能优异，在大型磨机衬板、隔仓板、篦板及颚板上应用，使用寿命是高锰钢的2~3倍。化学成分如表13，力学性能如表14。

表9 低碳低合金钢的化学成分（%）

表10 低碳低合金钢的力学性能

表11 中碳低合金钢的化学成分

表12 中碳低合金钢的力学性能

表13 中碳多元合金钢的化学成分

表14 不同含碳量的中碳多元合金钢的金相组织和力学性能

注：M-马氏体，B-贝氏体，Ar-残余奥氏体，K-碳化物

综观国金属耐磨材料现状，品种系列已基本齐全，其中以耐磨合金钢、高铬铸铁的发展最为迅速，可以满足各种生产规模水泥生产线的需求。

5. 典型易损件耐磨材料的选择