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，