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8 F% ~& z. F2 G2 E引言隨著科學技術和現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展,，機械設備的運轉(zhuǎn)速度越來越高,，受摩擦的零件被磨損的速度也越來越快,，其使用壽命越來越成為影響現(xiàn)代設備(特別是高速運轉(zhuǎn)的自動生產(chǎn)線)生產(chǎn)效率的重要因素,。盡管材料磨損很少引起金屬工件災難性的危害,，但其所造成的能源和材料消耗是十分驚人的,。據(jù)統(tǒng)計,，世界工業(yè)化發(fā)達的國家約30%的能源是以不同形式消耗在磨損上的,。如在美國,每年由于摩擦磨損和腐蝕造成的損失約1000億美元，占國民經(jīng)濟總收入的4%,。而我國僅在冶金,、礦山、電力,、煤炭和農(nóng)機部門,，據(jù)不完全統(tǒng)計，每年由于工件磨損而造成的經(jīng)濟損失約400億元人民幣[1],。因此,，研究和發(fā)展耐磨材料,，以減少金屬磨損，對國民經(jīng)濟的發(fā)展有著重要的意義,。1
* \8 g( X8 |- Y w$ D9 K3 [- Z% j) `國外耐磨金屬材料的發(fā)展國外耐磨材料的生產(chǎn)和應用經(jīng)過了多年研究與發(fā)展的高峰期,，現(xiàn)已趨于穩(wěn)定，并有自己的系列產(chǎn)品和國家標準,、企業(yè)標準,。經(jīng)歷了從高錳鋼、普通白口鑄鐵,、鎳硬鑄鐵到高鉻鑄鐵的幾個階段,，目前已發(fā)展為耐磨鋼和耐磨鑄鐵兩大類。8 P+ b2 k1 X l2 w; C& E- N8 b
耐磨鋼除了傳統(tǒng)的奧氏體錳鋼及改性高錳鋼,、中錳鋼以外,，根據(jù)其含量的不同可分為中碳、中高碳,、高碳合金耐磨鋼,；根據(jù)合金元素的含量又可分為低合金、中合金及高合金耐磨鋼,；根據(jù)組織的不同還可分為奧氏體,、貝氏體、馬氏體耐磨鋼,。而耐磨鑄鐵主要包括低合金白口鑄鐵和高合金白口鑄鐵兩大類,。二者中最具有代表性的是低鉻白口鑄鐵和高鉻白口鑄鐵，而且這兩種材料目前在耐磨鑄鐵中占有主導地位,。馬氏體或貝氏體、馬氏體組織的球墨鑄鐵在制作小截面耐磨件方面也占有一席之地,，中鉻鑄鐵則應用較少,。從整體上看，合金白口鑄鐵的耐磨性優(yōu)于耐磨鑄鋼,，但后者韌性好,，在諸如襯板、耐磨管道等方面有著廣泛的應用[2],。 2
, K- P8 T) x7 y. I我國耐磨金屬材料的發(fā)展 據(jù)統(tǒng)計,國內(nèi)每年消耗金屬耐磨材料約達300萬噸以上,，應用摩擦磨損理論防止和減輕摩擦磨損,每年可節(jié)約150億美元。近年來,針對設備磨損的具體工況和資源情況,研制出多種新型耐磨材料,。主要有改性高錳鋼,、中錳鋼、超高錳鋼系列,高,、中,、低碳耐磨合金鋼系列,鉻系抗磨白口鑄鐵系列,錳系,、硼系抗磨白口鑄鐵及馬氏體、貝氏體抗磨球墨鑄鐵,不同方法生產(chǎn)的雙金屬復合耐磨材料,表面技術處理的耐磨材料等,。同時,，在耐磨材料生產(chǎn)工藝設備上先后從日本、德國,、比利時等國引進數(shù)條機械化自動化生產(chǎn)線,。在引進基礎上結(jié)合國情，發(fā)展了消失模鑄造工藝設備,、金屬型覆砂工藝設備,、擠壓造型工藝設備、離心鑄造工藝設備等新技術新設備等新型工藝設備,。熔煉工藝上采用爐外精煉與連鑄等新技術,使產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量,、外觀質(zhì)量和性能都得到明顯提高,同時，金屬消耗也大幅度降低,一些廠家產(chǎn)品已達到或超過國際水平,出口東南亞,、日本,、南非、美國,、澳大利亞等地,取得了良好的效益[3],。 耐磨材料的生產(chǎn)和應用已趨于穩(wěn)定，但對基礎理論和應用的科學研究仍在繼續(xù),，還有更多的新型耐磨金屬材料需要去探求,。 3
. c! ]. g' A* E# `$ Y. F幾種耐磨金屬材料的最新研究進展3.1 錳鋼1.高錳鋼 高錳鋼作為歷史最悠久的一種耐磨材料，其成分(質(zhì)量分數(shù))范圍為：ｗ(C)=0.9%～1.4%,，ｗ(Mn)=l0%～15%,，ｗ(Si)= 0.3%～0.8%，ｗ(S) ≤0.05%,，ｗ(P) ≤0.10%,。 高錳鋼使用狀態(tài)的組織為奧氏體，它具有良好的韌性和加工硬化能力,。即在 強烈的沖擊載荷或擠壓載荷下,，受力表面被加工硬化,硬度可從原始的200HB左右提高到500HB以上，而心部仍保持著良好的韌性,。高錳鋼的這種建筑在加工硬化基礎上的優(yōu)異的耐磨性能使它的使用受到限制,，因此，要擴大高錳鋼的應用范圍,必須對其進行改進性研究,，進一步提高其耐磨性[4-6]
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7 ]! R) T9 M( I3 A& w1 J# w 目前，在高錳鋼研究方面取得了一系列新進展，主要有：
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采用合金化的方法,，添加Cr,、Mo引起固溶強化，加入鈦形成碳化鈦,可引起彌散強化,并能細化結(jié)晶組織,，最終達到強化基體,，提高其耐磨性和屈服強度的目的。實驗表明,，用這些方法加工出的用于冶金礦山的襯板,，其使用壽命比高錳鋼提高50%～70%。工藝方面,，采用鑄后利用余熱淬化的手段來替代傳統(tǒng)上使用加熱再進行水韌處理的方法,不但能簡化工藝,，節(jié)約能源，縮短生產(chǎn)周期,，而且經(jīng)濟效益顯著[7-10],。
在軋制工藝方面，徐文亮等[11]提出了用深度軋制的方法對高錳鋼進行預變形表面硬化處理,，并分析和研究了其組織演變及性能變化,。試驗表明，經(jīng)深度冷軋的高錳鋼隨著形變量的增加,，其耐磨料磨損性能也隨之增加,。這是因為深度冷軋的高錳鋼表面形成的高密度位錯及孿晶組織，晶粒明顯細化,，改善了鑄造高錳鋼產(chǎn)生的各項異性,、氣孔等缺陷，能有效阻止磨粒造成的磨損表面的脆性剝落,，同時,，高錳鋼良好的心部韌性也將減少其磨損過程中的疲勞剝落。該軋制方法對提高高錳鋼使用效率及應用范圍具有積極的現(xiàn)實意義 2.變質(zhì)中錳耐磨鋼 在磨損沖擊功較小的情況下,，中錳鋼的耐磨性優(yōu)于高錳鋼的耐磨性,。但在實際應用中，中錳鋼在鑄造和熱處理的過程中易產(chǎn)生熱裂,，使鑄件的成品率很低，且安全可靠性差,。 近十幾年來,，在中錳耐磨鋼研究方面，人們采用變質(zhì)處理的方法,，即向中錳鋼中加入作為復合變質(zhì)劑的Cr,、Nb、Mg和稀土等元素,，來改善顯微組織與碳化物的形態(tài)和分布,，取得了良好的效果,。這主要是因為復合變質(zhì)劑的加入能顯著地提高材料的力學性能和位錯密度，如稀土可凈化鋼液,使鋼中夾雜物數(shù)量減少,；而Cr,、Mg等能促進碳化物球化，增強稀土吸附及稀土夾雜物與碳化物的非均質(zhì)晶核的作用,同時也能阻止夾雜物,、碳化物進一步長大,，使其組織明顯細化，成分偏析減小,，從而使變質(zhì)中錳鋼韌性得到明顯改善,，耐磨性能顯著提高。 在對中錳鋼變質(zhì)處理的基礎上,，朱瑞富等研究發(fā)現(xiàn)[12-14],，采用鑄態(tài)水韌熱處理工藝技術，即利用金屬的鑄造余熱對奧氏體錳鋼進行水韌處理,，既有利于節(jié)約能源,，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本,，又可實現(xiàn)水爆清砂,，改善勞動條件，減少環(huán)境污染�,，F(xiàn)國內(nèi)已有多家企業(yè)采用該項研究成果,，并取得了較大的經(jīng)濟和社會效益。 3. 超高錳鋼 近年來,人們已開始著手對具有穩(wěn)定奧氏體組織的超高錳鋼進行研究,，主要是想在普通高錳鋼標準成分的基礎上通過提高碳,、錳含量來達到改善錳鋼組織，提高耐磨性的目的,。 研究人員通過對Fe-C-Mn合金奧氏體的價電子結(jié)構(gòu)進行分析發(fā)現(xiàn),，在含C、Mn原子的一個奧氏體晶胞內(nèi),，C-Mn之間的結(jié)合力大于C-Fe之間的結(jié)合力[15],。這樣，錳原子可通過對碳原子運動的拖曳提高碳的固溶度,，而且利用錳不易和碳原子生成碳化物,，來降低碳原子的擴散能力，抑制碳化物的析出,。因此,，同時提高碳、錳含量，不但可以提高錳鋼的加工硬化能力,，而且可保持高韌性的奧氏體組織,，使其在使用時具有良好的耐磨性。 當前,，變質(zhì)處理技術在開發(fā)新的超高錳鋼鋼種的試驗中,，已經(jīng)取得了很大進展�,？蒲腥藛T在對超高錳鋼變質(zhì)處理前后的組織進行研究發(fā)現(xiàn)[16-18],，在未變質(zhì)處理的組織中，晶粒較粗大,，晶界共晶碳化物的網(wǎng)狀特征非常明顯,；在變質(zhì)處理的組織中，晶粒明顯細化, 晶界碳化物的網(wǎng)狀特征得到明顯改善,。這些成果的研發(fā)為改善超高錳鋼組織并提高其耐磨性提供了新的途徑,。 |
發(fā)表于 2010-11-11 11:47:44
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