耐磨材料的發(fā)展與應(yīng)用

耐磨材料的發(fā)展與應(yīng)用

超過工業(yè)化的三種方法是斷裂、腐蝕和磨損，這每年導(dǎo)致世界上超過7萬(wàn)噸木材的消耗，其中50%由于磨損而消耗。我國(guó)耐磨件的耐磨性普遍低于國(guó)外先進(jìn)水平,以水泥行業(yè)為例,目前我國(guó)耐磨材料整體消耗平均在500g/t水泥左右,雖比以往的800～1000g/t水泥有大幅度降低,但與發(fā)達(dá)國(guó)家整體水平<200g/t水泥還有很大差距。冶金、礦山、煤炭、電力、化工、農(nóng)機(jī)、建材等各部門均使用大量耐磨材料,其中大部分材料因磨損而失效,從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本的提高和維護(hù)費(fèi)用的增加。因此,降低金屬材料的消耗,對(duì)于提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、節(jié)約資源和能源具有重要意義。1研磨白口鑄鐵耐磨材料的發(fā)展大致可分為普通白口鑄鐵,鎳硬鑄鐵,高鉻白口鑄鐵3個(gè)階段。1.1微合金化白口鑄件和低合金屬我國(guó)早在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期就已經(jīng)能夠制造可鍛鑄鐵農(nóng)具,而作為專門的耐磨材料則采用低硅(<1.0%)、高碳(>3.5%)、高錳和高硫來得到完全的白口組織。普通白口鑄鐵由于沒有加入必要的合金元素,其顯微組織是由珠光體和網(wǎng)狀滲碳體或萊氏體組成,顯微硬度在HV500左右,因網(wǎng)狀滲碳體脆性很大,不適合高應(yīng)力磨損的需要。但白口鑄鐵的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉,故在工業(yè)上一些特定場(chǎng)合仍有應(yīng)用,其研究工作仍在進(jìn)行,如近些年來在通過微合金化來改善白口鑄鐵的力學(xué)性能和使用性能方面做了大量的工作。白口鑄鐵經(jīng)過等溫淬火,使基體組織呈貝氏體,共晶碳化物呈粒狀,有利于提高其沖擊韌性,可用來制造磨球和小型襯板。微合金化可有效的改善白口鑄鐵的力學(xué)和使用性能,北京科技大學(xué)、沈陽(yáng)鑄造研究所研究發(fā)現(xiàn)微量的Nb可使低合金冷硬鑄鐵軋輥的使用壽命提高25%。劉可如發(fā)現(xiàn)微量硼有助于提高白口鑄鐵的耐磨性和硬度。孫玉福對(duì)變質(zhì)錳硼耐磨白口鑄鐵的工藝及熱處理進(jìn)行了研究。1.2石墨化硅鐵的生產(chǎn)鎳硬白口鑄鐵是Climax國(guó)際公司在1928年研制成功的,這是耐磨白口鑄鐵發(fā)展的重要標(biāo)志。它是在普通白口鑄鐵中加入3.0%～5.0%Ni和1.5%～3.5%Cr,促使奧氏體延遲向珠光體及貝氏體轉(zhuǎn)變,同時(shí)鉻能抑制鎳的石墨化作用,有助于形成穩(wěn)定的滲碳體,在鑄態(tài)條件下就能生成馬氏體基體和M3C型碳化物組織。其硬度(HB550～650)和強(qiáng)度都優(yōu)于普通白口鑄鐵且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單,故較早得到了廣泛應(yīng)用。鎳硬鑄鐵在美國(guó)、英國(guó)和德國(guó)已納入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),其鎳硬4號(hào),Cr含量提高到9%,共晶碳化物的晶體結(jié)構(gòu)由原來M3C型轉(zhuǎn)變成M7C3型,從一定程度上破壞了網(wǎng)狀分布,其力學(xué)性能僅次于Cr15-Mo3型高鉻白口鑄鐵。雖然鎳硬鑄鐵在生產(chǎn)工藝上比較簡(jiǎn)單,但其本質(zhì)的脆性使其應(yīng)用受到很大的限制。我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)的鎳硬鑄鐵主要用于雜質(zhì)泵過流部件的生產(chǎn)上如泵殼、葉輪、護(hù)板等。我國(guó)鎳硬鑄鐵的生產(chǎn)較少,主要是由于我國(guó)的鎳資源比較缺乏,價(jià)格昂貴。昆明理工大學(xué)曾在這方面進(jìn)行過大量的研究。1.3高鉻混凝土材料鉻系白口鑄鐵幾乎是與鎳硬鑄鐵同時(shí)發(fā)展起來的,美國(guó)率先進(jìn)行了含10%～30%Cr的高鉻白口鑄鐵的研究,而后英國(guó)、前蘇聯(lián)、德國(guó)等也相繼進(jìn)行了大量的生產(chǎn)性研究。20世紀(jì)60年代以后,由于電爐熔煉的廣泛應(yīng)用,使得高鉻鑄鐵得到相當(dāng)大的發(fā)展。鉻元素的加入,使碳化物結(jié)構(gòu)類型由網(wǎng)狀M3C型變?yōu)楣铝⒌腗7C3型,這樣不僅提高了耐磨性,而且提高了韌性,其使用效果比鎳硬鑄鐵更好。因此,高鉻鑄鐵問世以來,一直被認(rèn)為是比較理想的耐磨材料,應(yīng)用十分廣泛。低鉻白口鑄鐵(Cr≤5%)生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單。我國(guó)大多數(shù)采用沖天爐熔煉,價(jià)格低廉、耐磨性較高,但其碳化物以連續(xù)網(wǎng)狀分布的M3C型為主,韌性較低,脆性大,因而只能應(yīng)用于基本無沖擊的磨損場(chǎng)合。高鉻鑄鐵被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)具有優(yōu)異的耐磨性。但J.M.Bereza的試驗(yàn)結(jié)果指出,在碾磨水泥熟料(HV450)時(shí),高鉻鑄鐵磨球的耐磨性要比鍛鋼磨球高出10倍;碾磨長(zhǎng)石(約HV500)時(shí)高出2～3倍;而碾磨石英(HV800～1000)或含SiO2較高的物料時(shí)僅僅高出20%～30%,可見高鉻鑄鐵用來碾磨硬度在HV500～600以下的磨料時(shí),在經(jīng)濟(jì)上才是合理的。另外由于以下兩方面原因,使高鉻鑄鐵的應(yīng)用受到限制:一是生產(chǎn)成本高,不僅原材料成本高,且需要電爐熔煉;二是在礦山濕磨條件下腐蝕較為嚴(yán)重不宜使用。為此,在這方面進(jìn)行了大量的研究,先后開發(fā)了含釩/硼錳的白口鑄鐵。西安理工大學(xué)針對(duì)金屬礦山濕式球磨機(jī)工況開展了一系列的耐磨鑄鐵試驗(yàn)研究。寧國(guó)耐磨材料廠研究了Cr24及含V/Ti的Cr24高鉻鑄鐵磨球。華北電力大學(xué)則研究了回火溫度對(duì)高鉻鑄鐵耐磨性和沖擊韌性的影響。合肥水泥研究所通過對(duì)高鉻鑄鐵工藝的研究,使在水泥廠破碎熟料的錘頭壽價(jià)比為高錳鋼的2.5～3倍。目前,對(duì)于高鉻鑄鐵的研究取得了很大的進(jìn)展。在提高韌性方面,主要采用微合金化、除氣處理、熱塑性變型處理、高溫處理、等溫處理、懸浮鑄造、過濾處理和加筋復(fù)合處理。而對(duì)于抗腐蝕性,即在濕磨條件下使用的高鉻鑄鐵,則主要靠增加鉻的含量以及添加合金元素。2提高鐵的耐磨性?shī)W氏體高錳鋼在強(qiáng)烈沖擊或重力擠壓的工況條件下,其奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)閷渝e(cuò)孿晶強(qiáng)化的馬氏體,使表面迅速硬化,硬度從HB170～225提高到HB500～800,而心部依然保持原有的硬度和韌性,因而廣泛應(yīng)用于沖擊磨損的工件。我國(guó)在20世紀(jì)50～60年代幾乎把高錳鋼作為一種萬(wàn)能的耐磨材料使用,但在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn),高錳鋼的起始硬度低,如果在使用中不能發(fā)生加工硬化,就無法發(fā)揮高錳鋼潛在的耐磨能力,表現(xiàn)得非常的不耐磨。于是在高錳鋼的熔煉方面發(fā)展了吹氬、吹氮、爐外精煉等工藝,提高鋼的純凈度,采用懸浮澆注、表面合金化、爆炸硬化等手段以增加其耐磨性。高錳鋼的另一個(gè)缺點(diǎn)是屈服強(qiáng)度低(350MPa)在使用過程中極易發(fā)生塑變,造成工件的尺寸超差以及維修的不便。為提高耐磨性,一般采用降低Mn含量和提高C含量的方法,降低奧氏體的穩(wěn)定性。提高加工硬化能力,并由此研制出奧氏體中錳鋼和高碳高錳鋼,水韌處理后在沖擊條件下塑性變形誘發(fā)產(chǎn)生大量的α位錯(cuò)馬氏體,由于形變?chǔ)榴R氏體強(qiáng)化遠(yuǎn)高于高錳鋼的層錯(cuò)孿晶強(qiáng)化,故而其耐磨性要高得多。在降低Mn含量來提高耐磨性的同時(shí),研究發(fā)現(xiàn)Mn對(duì)C元素有拖曳作用,這為高錳鋼的發(fā)展提供了一條新的設(shè)計(jì)思路,即在標(biāo)準(zhǔn)高錳鋼的基礎(chǔ)上提高M(jìn)n含量,可以同時(shí)提高其加工硬化能力,耐磨性和安全性。研究發(fā)現(xiàn)超高錳鋼在低中沖擊工況下的耐磨性優(yōu)于高錳鋼,而在高沖擊下則比高錳鋼差。目前,對(duì)于高錳鋼的研究主要集中在合金化和工藝方面。基于高錳鋼基體強(qiáng)度低的特點(diǎn),可以添加合金元素鉻、鉬引起固溶強(qiáng)化,添加Ti、V等碳化物形成元素,通過彌散熱處理獲得奧氏體基體上彌散分布有碳化物硬質(zhì)點(diǎn)的組織結(jié)構(gòu)。這些彌散的硬質(zhì)點(diǎn)不但本身硬而耐磨,而且還可通過奧羅萬(wàn)機(jī)制阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),提高加工硬化能力,進(jìn)而提高耐磨性。工藝上的改進(jìn)是利用鑄后余熱。3球莖鐵和貝氏鐵3.1奧-貝球鐵貝氏體球鐵的基本組織是針狀鐵素體(貝氏體)、穩(wěn)定的奧氏體和球狀石墨,及少量的彌散碳化物。按組織和性能可分為兩類:一類是奧氏體+貝氏體為基體,稱為奧貝球鐵(ADI)。另一類是少量碳化物+貝氏體為基體,稱為貝氏體球鐵(BDI)。ADI是20世紀(jì)70年代通過高溫淬火獲得的一種新型鑄鐵材料,它具有高強(qiáng)度、高延伸率和高沖擊值等良好的綜合機(jī)械性能,特別是它具有高的彎曲疲勞強(qiáng)度和耐磨性。ADI的性能變化范圍可調(diào),主要用在耐磨、耐沖擊、高強(qiáng)度、高韌性和耐疲勞的場(chǎng)合?？捎糜谇S、鏈輪、耐磨襯板,還能滿足破碎機(jī)、推土機(jī)、挖掘機(jī)等易磨損部位的耐磨損、沖擊和疲勞的要求。BDI作為礦山球磨機(jī)磨球材料已經(jīng)得到普遍的認(rèn)可,這種材料不僅具有一定的抗沖擊能力而避免了碎球,同時(shí)由于具有一定的耐蝕性能具有比高鉻鑄鐵更好的抗腐蝕耐磨性。目前,我國(guó)尚沒有單一基體的貝氏體球鐵產(chǎn)品,所謂的貝氏體球鐵產(chǎn)品其實(shí)是馬氏體/貝氏體復(fù)合相球鐵,其基本組織由馬氏體和貝氏體組成,另外有少量的碳化物及奧氏體。目前應(yīng)用奧-貝球鐵還存在一些問題:(1)加工硬化會(huì)導(dǎo)致加工困難;(2)等溫淬火工藝費(fèi)時(shí)耗能,大型工件難于實(shí)現(xiàn)。對(duì)于探索鑄態(tài)奧-貝球鐵來代替等溫淬火工藝目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段,仍需要進(jìn)行大量的研究。隨著對(duì)貝氏體相變與貝氏體組織基礎(chǔ)理論的深入研究,貝氏體組織鋼得到越來越多的應(yīng)用。實(shí)踐證明,貝氏體組織具有高的強(qiáng)韌性和耐磨性,是一種很好的耐磨材料組織結(jié)構(gòu),并先后開發(fā)出奧氏體-貝氏體雙相鋼,馬氏體-貝氏體雙相鋼等貝氏體鋼。3.2奧貝鋼的力學(xué)性能最近十幾年在貝氏體轉(zhuǎn)變的研究中發(fā)現(xiàn),硅含量的增加,可強(qiáng)烈的抑制碳化物析出,獲得無碳化物貝氏體。利用等溫淬火工藝研制出了Mn-Si系等溫淬火奧-貝鋼,該鋼只含有Si、Mn合金元素,且組織集中了貝氏體的高強(qiáng)度與奧氏體的優(yōu)異韌性與應(yīng)變強(qiáng)化能力,具有高的屈服強(qiáng)度、韌性和耐磨性。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)邵何生、曲敬信、楊東方等在這方面進(jìn)行了深入的研究。這種奧貝鋼顯微組織交替排列,亞結(jié)構(gòu)為高密度位錯(cuò)的板條狀無碳化物貝氏體和總量在10%～25%的薄膜狀?yuàn)W氏體組織。江利研究了0.5～0.7C,1.7～2.5Si,1.2～1.8Mn等溫淬火的奧-貝鋼,可得到σ0.2=1000～1100MPa,σb=1200～1400MPa,δ5=22%～15%。該鋼只含有Si、Mn合金元素,且含量低(總含量4%以下),具有優(yōu)異的強(qiáng)韌配合和耐磨性。但采用等溫淬火,使其推廣應(yīng)用受到一定限制,而微合金化加入RE、Ti、V等元素,開發(fā)鑄態(tài)奧貝鋼,則是發(fā)展的方向。3.3出了創(chuàng)造性工作馬-貝鋼是通過連續(xù)冷卻方式獲得的,通過加入Mn、Si、B來抑制先共析鐵素體,珠光體的轉(zhuǎn)變,而凸出貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū),在較大的冷速范圍內(nèi)得到貝-馬組織,獲得空冷貝氏體鋼。清華大學(xué)“國(guó)家科委貝氏體鋼研究和開發(fā)中心”,多年來在Mn-B系空冷貝氏體耐磨鋼方面作出了開創(chuàng)性工作。Mn-B貝氏體鋼以廉價(jià)的錳、硼為合金元素,空冷自硬,可獲得馬氏體及20%～30%貝氏體的復(fù)相組織。從而簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝,提高強(qiáng)度和韌性,并顯著的降低生產(chǎn)成本。目前已發(fā)展了低碳、中碳、高碳等一系列產(chǎn)品。其中用于耐磨件比較成功的有耐磨鋼球,耐磨鑄鋼件,耐磨鋼管、刮板、截齒等。對(duì)于貝氏體鋼的研究,西北工業(yè)大學(xué)康沫狂等也進(jìn)行了大量的工作,研究了Si-Mn-Mo系準(zhǔn)貝氏體鋼,并開發(fā)了一系列產(chǎn)品。目前,對(duì)于貝氏體鋼的研究主要集中在高強(qiáng)度,高韌性方面以及微合金化方面。最近的研究發(fā)現(xiàn),硅能有效的抑制貝氏體中脆性碳化物的析出,代之以韌性的薄膜狀的殘余奧氏體,且分布在貝氏體鐵素體亞片條,亞單元及超亞單元之間,可顯著的改善貝氏體鋼的強(qiáng)韌性,而硅可顯著的提高產(chǎn)生回火脆性的溫度范圍,使鋼可以在較高的溫度下回火,更好的消除殘余應(yīng)力,提高鋼的韌性。3.4微合金化晶體鑄鋼鑄態(tài)貝氏體鋼是近年來發(fā)展的熱點(diǎn)。它以碳、硅、錳為主要合金元素,添加其它微量的合金元素,在鑄態(tài)下獲得細(xì)條狀貝氏體和薄膜狀?yuàn)W氏體均勻交替分布的組織,具有高硬度、高韌性的特點(diǎn)?？梢栽阼T態(tài)下使用,不需要重新進(jìn)行熱處理,而且合金元素的含量較低(<5%),價(jià)格低廉。其獲得奧-貝組織的關(guān)鍵是利用硅(1.4%～2.4%)在貝氏體轉(zhuǎn)變過程中強(qiáng)烈的抑制碳化物的析出,同時(shí)硅可以提高鑄鋼的流動(dòng)性,改善鑄造性能,提高抗磨性能,與錳(2.0%～3.0%)配合可以明顯的提高淬透性從而達(dá)到鑄態(tài)自硬化的目的。另外,微合金化有利于改善鑄態(tài)的結(jié)晶組織,細(xì)化晶粒,凈化晶界去除鋼中的有害夾雜,提高鑄鋼件的韌性。目前對(duì)于鑄態(tài)貝氏體鋼的研究已開展了大量的工作,主要集中在合金成分的設(shè)計(jì)及微合金化方面。4加工工藝的研究目前國(guó)內(nèi)外對(duì)耐磨材料的需求在不斷增長(zhǎng),為了不斷提高我國(guó)耐磨材料的品質(zhì),應(yīng)從以下幾點(diǎn)抓起:(1)提高冶金質(zhì)量我國(guó)耐磨件生產(chǎn)企業(yè)使用感應(yīng)爐的居多,用電弧爐的較少,擁有精煉設(shè)備的更少。這是因?yàn)槲覈?guó)許多生產(chǎn)廠把注意力都放在材料的成分配方和熱處理方面。對(duì)熔煉只是簡(jiǎn)單的采取化鋼的方法,結(jié)果鋼液潔凈度低,磷、硫等雜質(zhì)偏高。致使原材料的某些不良結(jié)晶組織遺傳到新的鑄件中,造成鑄件品質(zhì)的先天不足。目前提高冶金質(zhì)量主要是推廣電弧爐熔煉或配以爐外精煉。而電渣技術(shù)是精煉技術(shù)中最為成熟可靠的方法,也是一種投資少,上馬快,操作簡(jiǎn)便,所精煉的鋼液品質(zhì)優(yōu)良且穩(wěn)定的使用方法;(2)積極研究和推廣耐磨材料的加工工藝在耐磨材料的成分設(shè)計(jì)和組織優(yōu)化設(shè)計(jì)及力學(xué)性能、耐磨性能及磨損機(jī)理的研究方面,我國(guó)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際水平,但加工工藝水平仍有較大的差距。我國(guó)目前絕大多數(shù)耐磨鑄件的生產(chǎn),手工濕砂型鑄造生產(chǎn)居多,生產(chǎn)效率低,內(nèi)在質(zhì)量不易控制,表面質(zhì)量差,突出表現(xiàn)在鑄件變形量大,尺寸精度低。目前,我們應(yīng)該積極的推廣先進(jìn)的鑄造工藝,如失模鑄造、金屬型覆膜砂鑄造、自硬樹脂工藝、離心鑄造等;積極的探索新的加工工藝,如定向凝固技術(shù)、快速凝固技術(shù)以及微重力鑄造工藝的材料,消除嚴(yán)重影響鋼材強(qiáng)韌性的偏析現(xiàn)象以及形成溶解度比通常大的多的過飽和固溶體,從而顯著的提高耐磨材料的強(qiáng)韌性。另外一些加工工藝也是目前研究的熱點(diǎn),如鑄滲技術(shù)、CPM粉末冶金技術(shù);(3)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)目前已經(jīng)證明合金化及控制冷卻對(duì)于改善鋼的強(qiáng)韌性有很大作用。但在合金元素的種類,數(shù)量以及冷卻參數(shù)的選擇上,需要大量的實(shí)驗(yàn)分析。利用計(jì)算機(jī)技術(shù),根據(jù)材料所需求的性能來確定組織,進(jìn)而確定其成分以及控制冷卻的參數(shù)?？梢詷O大的縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)。例如可開發(fā)凝固模擬技術(shù)利用金屬物理學(xué)、晶體結(jié)構(gòu)學(xué)、量子力學(xué)、熱力學(xué)等計(jì)算合金的結(jié)構(gòu)來預(yù)測(cè)組織和力學(xué)性能;(4)建立嚴(yán)格的材料檢驗(yàn)、檢測(cè)制度耐磨材料要提高競(jìng)爭(zhēng)力,就必須生產(chǎn)出內(nèi)在、外觀質(zhì)量均優(yōu)良的產(chǎn)品。近年來,學(xué)術(shù)界、企業(yè)界都認(rèn)識(shí)到生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品必須有良好的設(shè)備,完善的檢測(cè)手段。我國(guó)的耐磨材料要與國(guó)際接軌,就必須建立嚴(yán)格的質(zhì)量管理制度,從原料入廠到熔煉、加工工藝,都要嚴(yán)格遵守,要完善和健全測(cè)量?jī)x器、成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、探傷等檢測(cè)設(shè)備,建立完整的質(zhì)量保證體系,保證產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力;(5)正確的選擇和使用耐磨材料磨料磨損的特征和機(jī)理具有多樣性。耐磨材料是否耐磨不僅與材料本身的質(zhì)量有關(guān)系,而且還與鑄件本身服役的具體工況有關(guān)。過去,