耐磨钢

耐磨钢

耐磨损性能强的钢铁材料的总称，耐磨钢是当今耐磨材料中用量最大的一种。

磨损是工件失效的主要形式之一，磨损造成了能源和原材料的大量消耗，根据不完全统计，能源的1／3到1／2消耗于摩擦与磨损。据原联邦德国技术科学部估测，原联邦德国因磨损造成的损失每年达到100亿马克。美国机械工程师学会(ASME)和美国能源发展局(ER DA)提出的一项减轻摩擦和磨损的发展计划，可使美国每年节支160亿美元，即为能源消耗的11％。据美国刊物介绍，美国几大类产品每年由于磨损所造成的损失是：飞机134亿美元，船舶64亿美元，汽车400亿美元，切削工具28亿美元。中国对摩擦和磨损所造成的损失尚缺乏全面的统计。根据中国机械部门1974～1975年的调查报告，汽车配件年耗用钢材23万t，其中2／3用于维修，而大部分是由于磨损所致。另据中国电力、建材、冶金、采煤和农机等5个部门的不完全统计，每年备件消耗钢材在150万t以上，以煤矿所用刮板输送机为例，由于中部槽磨损所造成的损失每年为1～2亿元人民币。如果再考虑到其他机械设备磨损造成的经济损失和钢材的消耗那将是很惊人的。由此可见，提高耐磨钢的质量，开发新型高性能耐磨钢，以及广泛、深入地开展钢材磨损机理的研究，以降低由于磨损造成的损失，对于国民经济建设的发展是一件具有重要意义的工作。

对于“材料磨损”目前尚无统一的定义。一般认为磨损是物体工作表面材料在相对运动中不断破坏或损失的现象。而对于磨损的分类也有很多方法，若按磨损机制划分，可分为磨料磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、接触疲劳磨损、冲击磨损、微动磨损等大类。在工业领域中磨料磨损和粘着磨损在工件磨损失效中占有最大比例，而冲蚀、腐蚀、疲劳、微动等磨损失效方式由于往往产生在一些重要构件的运行中，故日益受到重视。在工况条件下，往往是几种磨损形式同时或先后出现，磨损失效交互作用呈现较复杂的形式。确定工件磨损失效的类型是合理选用或研制耐磨钢的依据。另外，零、部件的磨损是一个系统工程问题，影响磨损的因素很多，它包括工作条件(载荷、速度、运动方式)、润滑条件、环境因素(湿度、温度、周围介质等)、材料因素(成分、组织、力学性能)、零件表面质量及物理化学特性等。其中每个因素的改变都可能使磨损量改变，甚至使磨损机制改变。由此可见，材料因素只是影响工件磨损的因素之一，要提高钢件的耐磨性需要从特定条件下的摩擦、磨损系统整体着手才会取得预期的效果。

简史耐磨钢作为一种专用钢大约始于十九世纪后半叶。1883年英国人哈德菲尔德(R0.A0.Hadfield)首先取得了高锰钢的专利，至今已有100多年的历史，高锰钢是一种碳含量和锰含量较高的耐磨钢，这个具有百余年历史的古老钢种，由于它在大的冲击磨料磨损条件下使用时具有很强的加工硬化能力，同时兼有良好的韧性和塑性，以及生产工艺易于掌握等优点，因此，目前它仍然是耐磨钢中用量最大的一种(尤其是在矿山等部门)。近几十年来，低、中合金耐磨钢的开发与应用发展很快，由于这些钢具有较好的耐磨性和韧性，生产工艺较简单，综合经济性合理，在许多工况条件下适用，而受到用户的欢迎。为了适应矿山采运机械与工程机械发展的需要，所研制的高硬度耐磨钢板，20世纪70～80年代在国际上已形成系列并标准化。这类钢是在低合金高强度可焊接钢的基础上发展起来的，它们一般采用轧后直接淬火并回火，或实行控轧、控冷工艺进行强化，可节约能源，且合金元素含量低，价格较便宜，但硬度高，耐磨，工艺性能尚可，由于具有了这些优点使这类耐磨钢板很受用户欢迎。日、英、美等国的一些钢铁公司都生产这类耐磨钢。

分类耐磨钢种类繁多，大体上可分为高锰钢，中、低合金耐磨钢，铬钼硅锰钢，耐气蚀钢，耐磨蚀钢以及特殊耐磨钢等。一些通用的合金钢如不锈钢、轴承钢、合金工具钢及合金结构钢等也都在特定的条件下作为耐磨钢使用，由于它们来源方便，性能优良，故在耐磨钢的使用中也占有一定的比例。

中、低合金耐磨钢这类钢中通常所含的化学元素有硅、锰、铬、钼、钒、钨、镍、钛、硼、铜、稀土等。美国很多大中型球磨机的衬板都用铬钼硅锰或铬钼钢制造，其化学成分见表1。而美国的大多数磨球都用中、高碳的铬钼钢制造，其化学成分、热处理和硬度见表2。在较高温度(例如200～500℃)的磨料磨损条件下工作的工件或由于摩擦热使表面经受较高温度的工件，可采用铬钼钒、铬钼钒镍或铬钼钒钨等合金耐磨钢，这类钢淬火后，经中温或高温回火时，有二次硬化效应。表3中列举了中国用于制造球磨机衬板的硅锰、铬锰硅钼、铬锰钼系低、中合金耐磨钢的化学成分及应用范围。

表1 铬钼硅锰钢的化学成分

表2 制造磨球的铬钼钢的化学成分

表3 中国低、中合金钢球磨机衬板的化学成分

铬钼钒锰钢高碳铬钼钒锰钢在用于制造水泥磨机粗磨仓衬板时表现出较高的耐磨性。这类钢的化学成分及磨料磨损试验结果见表4。表中以奥氏体高锰钢的耐磨性为1，比较各种成分钢的相对耐磨性。

表4 高碳铬钼锰钒钢的化学成分及相对耐磨性

应用耐磨钢广泛用于矿山机械、煤炭采运、工程机械、农业机械、建材、电力机械、铁路运输等部门。例如，球磨机的钢球、衬板、挖掘机的斗齿、铲斗，各种破碎机的轧臼壁、齿板、锤头，拖拉机和坦克的履带板、风扇磨机的打击板，铁路辙叉，煤矿刮板输送机用的中部槽中板、槽帮、圆环链，推土机用铲刀、铲齿，大型电动轮车斗用衬板，石油和露天铁矿穿孔用牙轮钻头等等，以上所列举的还主要限于属于经受磨料磨损的耐磨钢的应用，而各种各样的机械中凡是有相对运动的工件问，皆会产生各种类型的磨损，都会有提高工件材料耐磨性的要求或要求采用耐磨钢，这方面的例子则不胜枚举。矿石和水泥磨机中使用的研磨介质(球、棒和衬板)是消耗量很大的钢铁磨损件。在美国，磨球大多数是用碳素钢和合金钢锻造或铸造的，它们占磨球总消耗量的97％。在加拿大，消耗的磨球中钢球占81％。据80年代末统计，中国每年消耗磨球约80～100万t，全国磨机衬板的年消耗量近20万t，这其中绝大多数为钢制品。中国煤矿用刮板输送机中部槽每年要消耗6～8万t钢板。

生产工艺耐磨钢都是用电炉或转炉冶炼的，产品以铸件为多，近年0.来，锻、轧等热加工材正在增多。在一般机械中使用的耐磨钢件的生产方法与其他工件并没有太大的区别，只是在热处理工艺或表面处理工艺方面应有所要求，以达到保证耐磨性的需求。对于那些材质冶金纯净度显著影响耐磨性的钢件应采取精炼措施，并对有害杂质和气体提出限量要求。除基体外第二相的数量、形状和分布往往对钢件的耐磨性能有重大影响，此时需要从钢的化学成分设计、冶炼、热加工、热处理(含热机械处理)等等方面统筹考虑，以便从冶金因素方面力争达到提高耐磨性的要求。

表面强化技术磨损是发生在工件表面的过程，因此，强化工件表面就显得十分重要。钢的表面强化技术有着悠久的历史，例如，渗碳技术至少可以追溯到两干多年前中国的汉朝，而一千多年前的中国史书中已有关于碳氮共渗工艺的记载。近几十年来，各种各样的表面强化技术与装备发展迅速，采取必要的表面强化及表面改性措施，不仅可以节约大量的原材料，而且可以赋予工件表面层以各种特殊的、作为整体材料难以得到的组织结构与性能，从而取得最优异的耐磨性能和巨大的经济效益。如今，表面强化技术已成为耐睹钢(包括耐磨材料)的研究与应用的一个重要发展方向。

近年来钢铁材料的表面强化(润化)技术发展很快，有关新技术、新工艺层出不穷，针对不同需要可以选择不同的表面强化技术来提高钢件在各种类型磨损条件下的耐磨性，以价格较低廉的基体材料制作工件取代昂贵的合金钢。渗碳、碳氮共渗、渗氮等工艺目前仍然是强化机械零件的主要措施，采用共渗、复合渗、渗硼、渗金属、喷焊、堆焊、气相沉积、电刷镀、离子注入等工艺在不同机件的各种工况条件下都取得了提高耐磨性的明显效果。此外，铸渗、复合铸造等铸造工艺在耐磨钢件的制造中也有应用。