耐磨材料的研究现状
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大、应力高、磨料硬的情况下，高锰钢才耐磨，而且其 屈服强度低，易于变形。 近年来，奥氏体锰钢的技术进步主要表现在生产过 程中严格控制影响性能的 56、 7 含量，特别是对含 7 量 的限制；另外为减少铸造高锰钢的夹渣、柱状晶和晶粒 粗大现象，8、96、:; 和 <= 等微量元素也常被加入高锰 钢。被称为超高锰钢的 +,&> （ +,&? ） 和 +,#) 等有利 于解决厚大断面锰钢液韧处理后内部易出现碳化物而降 低韧性的问题，也利于解决锰钢件低温工况使用可能脆 断的问题。但在大冲击载荷磨料磨损工况下超高锰钢的 耐磨性和性价比，以及相关的 +,、- 和 +, " - 选择，特 别在低应力磨损下的低寿命等关键问题，还有待深人研 究，以及在不同工况条件下广泛应用的实践验证。 （ # ）铬系白口铸铁! 国外耐磨白口铸铁的发展分为 普通白口铸铁、镍硬铸铁和高铬白口铸铁 ’ 个阶段，铬 系白口 铸 铁 目 前 仍 是 国 内 外 耐 磨 铸 铁 的 主 流。 -3&) 、 -3#$ 、-3#4 系列高铬耐磨铸铁在美国、日本和我国均已 大批量生产和应用。我国在高铬铸铁基础上又研究了中 铬硅耐磨铸铁和适于铸态应用的低铬耐磨铸铁，并已批 量生产和工业应用。 高铬铸铁凝固后的组织为（ @A，-3 ） > -’ 型碳化物和 ! 相，当基体全部为马氏体时，这种合金的耐磨性能最 好，如果基体中存在残余奥氏体，通常要进行热处理； 低铬合金白口铸铁与普通白口铸铁相比，碳化物的稳定 性更好。
足够韧性的综合性能，在硬度 0 *$123 的情况下，韧性 ( 4 值可达 &$ , )$5 " 67& ，可在较大范围内控制硬度和韧 性的匹配关系，在各类磨料磨损工况条件下均可获得较 好的耐磨性，有广阔的应用前景和推广意义。 &’ 非金属耐磨材料 （ - ） 耐磨陶瓷 ! 耐磨工程陶瓷具有熔点高、硬度 高、耐磨损和耐腐蚀等优点，主要有贴片和涂料两种应 用。在耐磨陶瓷中，氧化物陶瓷由于成本低而应用最广。 为避免突然性的整体断裂，耐磨陶瓷不能用于高应力、 大角度冲击的工况，通过与其他材料复合（ 粘合固化 等） ，可以减弱其脆性。 （ & ）高分子耐磨材料! 在许多物料易发生粘结、堵 塞和磨损的工况下，高分子耐磨材料由于具有自润滑等 优点而得到应用，如 89:1; （ 环纳复合板） 、 ;1<=9: （超高分子量聚乙烯板）和 9>.. （ 尼龙） 等。但由于易 老化、摩擦大和表面硬度低等缺点，耐磨高分子材料的 应用受到很大的局限。 (’ 耐磨市场现状与发展思路 据测算，全国仅磨球年产量在 &$$ 万 ? 以上的生产 厂约有 -$$$ 家，但很大一部分企业仍处于作坊式生产模 式。当前耐磨行业状况是点多、面广，技术装备落后， 生产效率低，产品质量参差不齐，生产设备简单，技术 含量不高。 面对原材料上涨等众多要素导致的严峻形势，耐磨 企业要做大做强，为我国耐磨行业作出贡献，需要在以 下方面努力： （ - ）开发少用铬或不用铬的材料。 （ & ）通过提高熔炼技术及铁液的纯净度，进而提高 产品质量。 （ ’ ）提高热处理技术，挖掘现有低成本材料的潜力。 （ ) ）提高规模化和机械化生产水平。 )’ 结语 在世界资源日益贫乏的今天，盲目引入或研制高成 本、耗费稀有材料的耐磨材料的做法显然是不可取的， 也是没有市场的。在现有材料基础上，克服缺陷，发挥 和提高原有优势，符合耐磨材料的发展趋势。 另外，研制低合金耐磨材料，采用价格低廉的 @A、 <B、C 等合金元素，通过成分控制和热处理获得高耐磨 性的尝试是值得肯定和鼓励的。同时，发展规模化和机 械化生产作业，提高耐磨行业的技术水平和产品质量， 也是当务之急。 !
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#& 概述 在冶金、矿山、港口、电力、煤炭、建材及军事等 各个工业门中，许多工件及设备由于磨损而迅速失效。 材料磨损虽然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。#$$% 年北京摩擦学科与 工程前沿研讨会的资料显示，磨损损失了世界一次能源 的 & " ’。 我国每年因磨损造成的经济损失在 &$$$ 亿元人民币 以上，仅磨料磨损每年就要消耗 ’$$ 多万 ( 金属耐磨材 料，且还以每年 &)* 的速度在增长。高寿命耐磨材料的 研制和使用，关系到国民经济的长期稳定发展。 材料的磨损是由摩擦副之间力学、物理、化学作用 造成的表面损伤和材料剥落，主要源于力学作用下的材 料强度劣化。根据材料不同，耐磨材料分为金属和非金 属材料。 !& 金属耐磨材料的研究现状 金属耐磨衬板材料既有塑性材料，也有脆硬材料， 目前大量应用的有以下几种。 （ & ）奥氏体耐磨锰钢! 奥氏体锰钢以高韧性、易加 工硬化著称。目前，国内外生产和应用的奥氏体锰钢仍 以 +,&’ 系列为主，其化学成分为：( - . &/ $* 0 &/ %* 、 ( +, . &&* 0 &%* ，经 &$$$ 0 &$)$1 水韧处理，可获得 单一奥氏体组织。迄今在大冲击载荷磨料磨损工况（ 如 圆锥式破碎机轧臼壁和破碎壁、旋回式破碎机衬板、大 中型颗式破碎机颗板、大型锤式破碎机锤头，以及大中 型湿式矿山球磨机衬板） 下仍主要选用奥氏体锰钢。日 本等一些国家较推崇屈服强度和耐磨性较高的 +,2’-3# 耐磨钢。我国 #$ 世纪 )$ 0 4$ 年代几乎把高锰钢作为万 能的耐磨材料使用，但在生产实践中发现，只有在冲击
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耐磨材料的研究现状
青岛港湾职业技术学院! （ 山东! "##$%$ ） ! 王金参! 赵剑波! 孙! 平
! ! 【 摘要】 ! 综述了高锰钢、耐磨铸铁及低合金耐磨钢等耐磨金属材料的研究现状，通过对各耐磨材料及
耐磨市场的分析对比，指出低合金耐磨钢，以及对现有材料性能改进是今后耐磨材料的发展趋势。
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铬系白口铸铁的研究中，往往被认为越硬越耐磨。 实际上，盲目地追求硬度并不一定能取得理想的效果，反 而会使成本大幅度提高，造成浪费。有试验表明，高铬铸 铁在接近 #$% 角冲蚀磨损时，其耐磨性还不如 &$ 钢。 （ ’ ）奥贝球铁系列耐磨铸铁 ! 贝氏体(马氏体耐磨 球铁是通过等温淬火热处理或加入合金元素，使基体转 变为贝氏体(铁素体基体上分布着残余奥氏体的组织，具 有强度高、塑性好，以及弯曲疲劳和接触疲劳等动载性 能高的优点，在国内外已被用于齿轮、凸轮轴、汽车牵 引钩等易磨损件。我国对奥贝球铁的应用还限于中低档 产品，还没有达到产业化生产的水平，主要是在铁路货 车斜楔铁、曲轴等结构件，以及磨球、锤头等抗磨件生 产上应用，并在制作贝氏体球墨铸铁管、衬板、齿轮和 轧辊等方面进行了一定的研究和应用。 （ ) ）钢铁耐磨复合材料! 钢铁基耐磨复合材料是以 钢为粘结金属，以难熔金属碳化物作硬质相的结合材 料，在一些严酷的磨损工况中得到了工业应用。其组织 特点是微细硬质晶粒均匀分散于钢基体中，兼有硬质化 合物的硬度、耐磨性，以及钢的强度和韧性，处于普通 硬质合金和钢的中间地位。但粘结剂最常使用的添加元 素有镍、铬等稀缺金属，且需要粉末冶金方法、浸渍法、 热压法、热等静压法、喷射成形法、混合搅拌铸造法及 等离子熔融粉末法等加工方法制备。 （*）中低合金耐磨钢! 具有良好的耐磨性组织，能提 供较高的硬度和足够的韧性。研究结果表明：!板条马氏 体在准解理断裂时有较小的断裂单元和较多的撕裂等而消 耗断裂功，从而提高了韧性。"下贝氏体以不同位向的铁 素体板条为最小断裂单元，其韧性较相同硬度的回火马氏 体高。#残余奥氏体存在于马氏体或下贝氏体组织中，能 使应力松驰，阻碍裂纹扩展，材料断裂时吸收能量增加， 而使韧性改善。$细小弥散分布的碳化物对耐磨性有利。 中低合金钢中淬硬态的组织有马氏体（ 板条状、片 状） 、贝氏体、残余奥氏体和碳化物，可以获得上述组 织。这类钢的合金元素含量（质量分数） 较低，一般低 合金钢为 ’+ , -*+ ，中合金钢为 .+ , -/+ ，而且所加 合金元素国内资源丰富，易于推广应用；具有较高硬度，
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大、应力高、磨料硬的情况下，高锰钢才耐磨，而且其 屈服强度低，易于变形。 近年来，奥氏体锰钢的技术进步主要表现在生产过 程中严格控制影响性能的 56、 7 含量，特别是对含 7 量 的限制；另外为减少铸造高锰钢的夹渣、柱状晶和晶粒 粗大现象，8、96、:; 和 <= 等微量元素也常被加入高锰 钢。被称为超高锰钢的 +,&> （ +,&? ） 和 +,#) 等有利 于解决厚大断面锰钢液韧处理后内部易出现碳化物而降 低韧性的问题，也利于解决锰钢件低温工况使用可能脆 断的问题。但在大冲击载荷磨料磨损工况下超高锰钢的 耐磨性和性价比，以及相关的 +,、- 和 +, " - 选择，特 别在低应力磨损下的低寿命等关键问题，还有待深人研 究，以及在不同工况条件下广泛应用的实践验证。 （ # ）铬系白口铸铁! 国外耐磨白口铸铁的发展分为 普通白口铸铁、镍硬铸铁和高铬白口铸铁 ’ 个阶段，铬 系白口 铸 铁 目 前 仍 是 国 内 外 耐 磨 铸 铁 的 主 流。 -3&) 、 -3#$ 、-3#4 系列高铬耐磨铸铁在美国、日本和我国均已 大批量生产和应用。我国在高铬铸铁基础上又研究了中 铬硅耐磨铸铁和适于铸态应用的低铬耐磨铸铁，并已批 量生产和工业应用。 高铬铸铁凝固后的组织为（ @A，-3 ） > -’ 型碳化物和 ! 相，当基体全部为马氏体时，这种合金的耐磨性能最 好，如果基体中存在残余奥氏体，通常要进行热处理； 低铬合金白口铸铁与普通白口铸铁相比，碳化物的稳定 性更好。
足够韧性的综合性能，在硬度 0 *$123 的情况下，韧性 ( 4 值可达 &$ , )$5 " 67& ，可在较大范围内控制硬度和韧 性的匹配关系，在各类磨料磨损工况条件下均可获得较 好的耐磨性，有广阔的应用前景和推广意义。 &’ 非金属耐磨材料 （ - ） 耐磨陶瓷 ! 耐磨工程陶瓷具有熔点高、硬度 高、耐磨损和耐腐蚀等优点，主要有贴片和涂料两种应 用。在耐磨陶瓷中，氧化物陶瓷由于成本低而应用最广。 为避免突然性的整体断裂，耐磨陶瓷不能用于高应力、 大角度冲击的工况，通过与其他材料复合（ 粘合固化 等） ，可以减弱其脆性。 （ & ）高分子耐磨材料! 在许多物料易发生粘结、堵 塞和磨损的工况下，高分子耐磨材料由于具有自润滑等 优点而得到应用，如 89:1; （ 环纳复合板） 、 ;1<=9: （超高分子量聚乙烯板）和 9>.. （ 尼龙） 等。但由于易 老化、摩擦大和表面硬度低等缺点，耐磨高分子材料的 应用受到很大的局限。 (’ 耐磨市场现状与发展思路 据测算，全国仅磨球年产量在 &$$ 万 ? 以上的生产 厂约有 -$$$ 家，但很大一部分企业仍处于作坊式生产模 式。当前耐磨行业状况是点多、面广，技术装备落后， 生产效率低，产品质量参差不齐，生产设备简单，技术 含量不高。 面对原材料上涨等众多要素导致的严峻形势，耐磨 企业要做大做强，为我国耐磨行业作出贡献，需要在以 下方面努力： （ - ）开发少用铬或不用铬的材料。 （ & ）通过提高熔炼技术及铁液的纯净度，进而提高 产品质量。 （ ’ ）提高热处理技术，挖掘现有低成本材料的潜力。 （ ) ）提高规模化和机械化生产水平。 )’ 结语 在世界资源日益贫乏的今天，盲目引入或研制高成 本、耗费稀有材料的耐磨材料的做法显然是不可取的， 也是没有市场的。在现有材料基础上，克服缺陷，发挥 和提高原有优势，符合耐磨材料的发展趋势。 另外，研制低合金耐磨材料，采用价格低廉的 @A、 <B、C 等合金元素，通过成分控制和热处理获得高耐磨 性的尝试是值得肯定和鼓励的。同时，发展规模化和机 械化生产作业，提高耐磨行业的技术水平和产品质量， 也是当务之急。 !
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耐磨材料的研究现状
青岛港湾职业技术学院! （ 山东! "##$%$ ） ! 王金参! 赵剑波! 孙! 平
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耐磨市场的分析对比，指出低合金耐磨钢，以及对现有材料性能改进是今后耐磨材料的发展趋势。
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铬系白口铸铁的研究中，往往被认为越硬越耐磨。 实际上，盲目地追求硬度并不一定能取得理想的效果，反 而会使成本大幅度提高，造成浪费。有试验表明，高铬铸 铁在接近 #$% 角冲蚀磨损时，其耐磨性还不如 &$ 钢。 （ ’ ）奥贝球铁系列耐磨铸铁 ! 贝氏体(马氏体耐磨 球铁是通过等温淬火热处理或加入合金元素，使基体转 变为贝氏体(铁素体基体上分布着残余奥氏体的组织，具 有强度高、塑性好，以及弯曲疲劳和接触疲劳等动载性 能高的优点，在国内外已被用于齿轮、凸轮轴、汽车牵 引钩等易磨损件。我国对奥贝球铁的应用还限于中低档 产品，还没有达到产业化生产的水平，主要是在铁路货 车斜楔铁、曲轴等结构件，以及磨球、锤头等抗磨件生 产上应用，并在制作贝氏体球墨铸铁管、衬板、齿轮和 轧辊等方面进行了一定的研究和应用。 （ ) ）钢铁耐磨复合材料! 钢铁基耐磨复合材料是以 钢为粘结金属，以难熔金属碳化物作硬质相的结合材 料，在一些严酷的磨损工况中得到了工业应用。其组织 特点是微细硬质晶粒均匀分散于钢基体中，兼有硬质化 合物的硬度、耐磨性，以及钢的强度和韧性，处于普通 硬质合金和钢的中间地位。但粘结剂最常使用的添加元 素有镍、铬等稀缺金属，且需要粉末冶金方法、浸渍法、 热压法、热等静压法、喷射成形法、混合搅拌铸造法及 等离子熔融粉末法等加工方法制备。 （*）中低合金耐磨钢! 具有良好的耐磨性组织，能提 供较高的硬度和足够的韧性。研究结果表明：!板条马氏 体在准解理断裂时有较小的断裂单元和较多的撕裂等而消 耗断裂功，从而提高了韧性。"下贝氏体以不同位向的铁 素体板条为最小断裂单元，其韧性较相同硬度的回火马氏 体高。#残余奥氏体存在于马氏体或下贝氏体组织中，能 使应力松驰，阻碍裂纹扩展，材料断裂时吸收能量增加， 而使韧性改善。$细小弥散分布的碳化物对耐磨性有利。 中低合金钢中淬硬态的组织有马氏体（ 板条状、片 状） 、贝氏体、残余奥氏体和碳化物，可以获得上述组 织。这类钢的合金元素含量（质量分数） 较低，一般低 合金钢为 ’+ , -*+ ，中合金钢为 .+ , -/+ ，而且所加 合金元素国内资源丰富，易于推广应用；具有较高硬度，