几种新型的耐磨材料

几种新型的耐磨材料 摩擦和磨损是与机械设备整个运转系统有关的复杂过程，影响因素很多，相应地减少摩擦和提高耐磨性的措施也是多方面。然而，摩擦和磨损毕竟是发生在材料的表面层，因此，材料本身的特性是一个最基本的影响因素。随着科学技术和国民经济的高速发展，机械设备的运转速度越来越高，受摩擦的零件被磨损的速度也越来越快，其使用寿命越来越成为影响现代设备（特别是高速运转的自动生产线）生产效率的重要因素。一 国外耐磨材料应用情况经过30余年研究与发展的高峰期，国外耐磨材料的生产、应用已趋于稳定，发达国家已有自己的系列产品和国家标准、企业标准。经历了从高锰钢、普通白口铸铁、镍硬铸铁到高铬铸铁的几个阶段，目前已发展为耐磨钢、耐磨铸铁两大类。耐磨钢除了传统的奥氏体锰钢及改性高锰钢、中锰钢以外，从其含量的不同可分为中碳、中高碳、高碳合金耐磨钢；从合金元素的含量又可分为低合金、中合金及高合金耐磨钢；从组织的不同可分为奥氏体、贝氏体、马氏体耐磨钢。耐磨铸铁中的普通白口铁、低碳白口铸铁已近淘汰，代之以低合金白口铸铁和高合金白口铸铁两大类。二者中最具有代表性的是低铬白口铸铁和高铬白口铸铁。由于地球上的铬资源远大于镍，且价格较便宜，至今这两种材料已在耐磨铸铁中占有主导地位，从资源成本和耐磨性等方面考虑，镍硬铸铁的地位已在减弱。马氏体或贝氏体、马氏体组织的球墨铸铁在制作小截面耐磨件方面也占有一席之地。中铬铸铁则应用较少。人们常说的高铬铸铁实际上是指高铬钼白口铸铁，从含碳量可分为Cr15及Cr20 两类，前者用于承受一般冲击磨损，后者用于高冲击磨损及厚度较大的耐磨件。含铬量为30%级以上的高铬铸铁则用于耐热、耐磨或耐腐蚀的工作。从整体上看合金白口铸铁的耐磨性优于耐磨铸钢，但后者韧性好，在诸如衬板（用于混凝土搅拌机上）、耐磨管道等方面有着广泛的应用。国外耐磨铸钢有的使用极细珠光体组织，其硬度只有30HRC左右，但韧性很好，冲击功为Ak=80J以上。用来制作磨损不严重的工件，如双进双出球磨机衬板，其含量在0.70%0.75%左右，少量的合金元素可细化珠光体组织，但在制作衬板时其耐磨性很低（年磨损量达10mm/年）。用于大直径高冲击的矿用球磨机衬板，国外的含碳量从0.3%起至1.0%以上，合金元素含量从低、中到高合金。近年来发展了中高碳合金耐磨钢，旨在提高耐磨钢的硬度，合金元素主要是满足淬透性的需要。国外与国内所不同之处就是我国高碳、中高碳合金耐磨钢较少，其原因在于我国的冶炼、铸造、热处理工艺水平落后，不敢提高含碳量和合金含量。例如国外大型矿山磨机可使用高碳中合金耐磨钢衬板，又如电厂大型球磨机的高碳钢（含微量合金元素）锻球，其碎球率为0，硬度为5560HRC。虽然国外耐磨材料的生产和应用已趋于稳定，但科学研究并未停步，除了基础理论研究外，在应用研究方面，金属陶瓷、粉末冶金材料、有机材料及复合材料以快速发展起来，在个别方面有取代金属材料的势头。二 对几种新型耐磨材料的简介 1. 硬质合金/铸钢新型复合耐磨材料人们在研制各种新型金属耐磨材料的同时，也在选用硬质合金制作易磨损的结构零件（即易磨损件），并已取得了很好的效果。用于制作易磨损件的硬质合金高速增长的主要原因是：第一，用其制作的易磨损件的使用寿命是用其他金属耐磨材料制作的易磨损件的几倍、几十倍、甚至上百倍。然而硬质合金硬度高，脆性也大，用其制作的易磨损件往往在尚未达到预期的使用寿命时，就因破损、断裂等早期失效；第二，硬质合金是脆性材料，不能用于制作受冲击力大的易磨损件；第三，硬质合金造价高、一次性投资大，许多潜在用户相用而用不起。因此，硬质合金用作易磨损件受到一定的限制。事实上，绝大多数易磨损件只有部分表面为工作面，工作面的有效厚度也只在很小的范围（0.0210mm）内，在运转过程中因工作面磨损过度，尺寸超差时就失效报废。如果易磨损件的工作面的有效厚度（或大于有效厚度）部分为硬度高、耐磨性好的昂贵材料硬质合金，其余部分为强度高、韧性好的廉价材料铸钢，两者冶金结合时，这种叠层复合材料就具有硬质合金的高硬度、高耐磨性和钢的高强度、高韧性两者的优良性能，克服了两者的弱点。这种材料就是硬质合金/铸钢复合耐磨零件。将一定形状的硬质合金块经预处理后固定在金属型腔内指定的位置上，利用浇入钢液的热量使其与钢液接触的表面呈半熔融状态，凝固后在硬质合金和钢之间形成一个互溶的过渡区。通过这种冶金结合，可获得复合耐磨制件毛坯。这种之间具有两种材料的长处，因此可广泛应用于冷热冲压模具、粉末冶金模具、轧制金属的轧辊、机械设备的耐磨件、受冲击力较大的易磨损件及刃具、刀具、量具等。于硬质合金件比较，可节约硬质合金40%以上，生产成本降低25%以上，而且使用寿命还有所提高。2. 铝基高强度耐磨材料 由于铝硅合金在力学性能、铸造性能方面存在一系列优点，所以是目前应用最广泛的一类铸造铝合金。目前应用最广泛的铝硅合金大致分为两类，一类是共晶和亚共晶型铝硅合金，这类铝硅合金的含硅量一般在5%-10%左右，这类合金具有一定的机械强度，延伸率一般在2%左右，常用于制造工作负荷、工作温度不大的机械零件，经过合金强化后也可用作活塞材料。另一类是近年发展起来的过共晶硅合金，这类合金含硅量在17%-26%之间，具有热膨胀系数小，密度、体积稳定性好，导热能力强，耐磨和耐腐蚀等特点，但其常温机械性能较差，特别是延伸率，一般仅在1%左右。目前在国内，这类合金主要作为摩托车、汽车发动机活塞的试用材料。经实验研究，已初步研制出一种新型的高强度耐磨铝硅合金，这种合金具有比共晶、亚共晶铝硅合金更高的常温机械性能，又具有过共晶铝硅合金耐磨、耐腐蚀、高温性能好等一系列优点。可望在航空、航天、汽车、造船等工业领域中获得广泛应用。为获得要求性能，在合金成分的设计上，考虑以铝为基础，添加Si、Cu、Mg、Ti、Mg等合金元素。综合考虑，合金的硅含量在15%范围内为宜。铜镁比为12%左右性能最佳。一般情况下，合金的钛含量控制在0.2%左右，锰的加入量为0.3%左右。该合金属于过共晶铝硅合金，组织中同时存在着针状共晶硅和为数不少的初晶硅。因此，为了使该合金具有所要求的性能，必须进行双向变质处理。使用SX-1号双相变质剂不仅对初晶硅有良好的细化作用，而且对攻晶硅有稳定的变质效果，加入量一般在2%左右即可获得满意的效果。同时，该变质剂还具有变质作用时间长，有重熔性能等一系列优点，这对满足批量生产过程要求，提高经济效益都有十分积极的意义。实验证明，新型高强度耐磨铝硅合金通过使用SX-1号双相变质剂进行处理和热处理措施可以具有比共晶、亚共晶型铝硅合金更好的常温机械性能，又具有比过共晶型铝硅合金耐磨、耐蚀、高温性能好等一系列优点，是一种很有发展前途的新型合金，可望在机械工业上得到广泛的应用。3. 新型多相铁基耐磨材料 在润滑不良或干摩擦等恶劣条件下工作的机械零部件，要求同时具有优异的耐磨、自润滑、导热及减震性能。球墨铸铁由于含有石墨球而具有优良的自润滑、热传导及减震性能和优异的机械性能。但由于其硬度低、耐磨性差，利用激光束对球墨铸铁进行表面快速熔化/凝固处理，在工作表面获得硬质耐磨的快速凝固莱氏体型白口铸铁组织，使耐磨性大幅度提高，同时却牺牲了石墨相优异的自润滑、热传导等性能。显然，若能在耐磨性优异的快速凝固莱氏体组织中弥散分布以适量细小石墨相，在润滑不良机干摩擦条件下竟会有很好的摩擦学性能。遗憾的是，由于在快速凝固条件下铸铁熔体完全按Fe-Fe3C亚稳系快速凝固形成莱氏体型白口组织，不能获得上述新材料。但值得注意的是，球墨铸铁激光重熔快速凝固组织中硬质共晶渗碳体是不稳定的亚稳相（只要相变动力学条件适合，它将会迅速向其热力学稳定相石墨转化），显然，只需对球墨铸铁激光快速凝固组织进行简单的热处理，使共晶渗碳体部分地石墨化并控制其相变过程，即可制得既含硬质耐磨快速凝固共晶渗碳体又含弥散超细石墨的多相铁基新型耐磨材料。球墨铸铁激光表面重熔快速凝固组织由少量初生奥氏体树枝晶及渗碳体/奥氏体共晶组成，其中奥氏体相在快速凝固后的冷却过程中大部分转变为细针状马氏体，这种快速凝固组织的显微硬度约为950HV。在750C退火后，渗碳体迅速石墨化，从而成功制出了既含硬质耐磨共晶渗碳体又含弥散石墨的耐磨材料。4. 新