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引言隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速度越來(lái)越高,，受摩擦的零件被磨損的速度也越來(lái)越快,，其使用壽命越來(lái)越成為影響現(xiàn)代設(shè)備(特別是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的自動(dòng)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(zāi)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(jì),，世界工業(yè)化發(fā)達(dá)的國(guó)家約30%的能源是以不同形式消耗在磨損上的,。如在美國(guó),每年由于摩擦磨損和腐蝕造成的損失約1000億美元，占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總收入的4%,。而我國(guó)僅在冶金,、礦山、電力,、煤炭和農(nóng)機(jī)部門(mén),，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年由于工件磨損而造成的經(jīng)濟(jì)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(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要的意義,。1
( Q' C$ |/ A1 P" ^" R2 t國(guó)外耐磨金屬材料的發(fā)展國(guó)外耐磨材料的生產(chǎn)和應(yīng)用經(jīng)過(guò)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn),、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。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(gè)階段,，目前已發(fā)展為耐磨鋼和耐磨鑄鐵兩大類。
. V, Q) m+ ^- Z: d 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(dǎo)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(yīng)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(yīng)用[2]。 2
4 x4 m8 B3 f/ Q$ X _; A; U$ r我國(guó)耐磨金屬材料的發(fā)展 據(jù)統(tǒng)計(jì),國(guó)內(nèi)每年消耗金屬耐磨材料約達(dá)300萬(wàn)噸以上,，應(yīng)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(lái),針對(duì)設(shè)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?gòu)?fù)合耐磨材料,表面技術(shù)處理的耐磨材料等,。同時(shí),，在耐磨材料生產(chǎn)工藝設(shè)備上先后從日本、德國(guó),、比利時(shí)等國(guó)引進(jìn)數(shù)條機(jī)械化自動(dòng)化生產(chǎn)線,。在引進(jìn)基礎(chǔ)上結(jié)合國(guó)情,，發(fā)展了消失模鑄造工藝設(shè)備、金屬型覆砂工藝設(shè)備,、擠壓造型工藝設(shè)備,、離心鑄造工藝設(shè)備等新技術(shù)新設(shè)備等新型工藝設(shè)備。熔煉工藝上采用爐外精煉與連鑄等新技術(shù),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(shí),，金屬消耗也大幅度降低,一些廠家產(chǎn)品已達(dá)到或超過(guò)國(guó)際水平,出口東南亞、日本,、南非,、美國(guó)、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(yīng)用已趨于穩(wěn)定,，但對(duì)基礎(chǔ)理論和應(yīng)用的科學(xué)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
" L) Z2 t' j. [3 F, O) ? |3 s& |幾種耐磨金屬材料的最新研究進(jìn)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?jǐn)?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(qiáng)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(chǔ)上的優(yōu)異的耐磨性能使它的使用受到限制,，因此，要擴(kuò)大高錳鋼的應(yīng)用范圍,必須對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)性研究,，進(jìn)一步提高其耐磨性[4-6]
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目前，在高錳鋼研究方面取得了一系列新進(jìn)展,，主要有： ( {9 z! _) |( h/ v- y# U0 L6 o
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+ K Y5 A0 `9 T2 Q+ c( p采用合金化的方法,，添加Cr、Mo引起固溶強(qiáng)化,，加入鈦形成碳化鈦,可引起彌散強(qiáng)化,并能細(xì)化結(jié)晶組織,，最終達(dá)到強(qiáng)化基體，提高其耐磨性和屈服強(qiáng)度的目的,。實(shí)驗(yàn)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(lái)替代傳統(tǒng)上使用加熱再進(jìn)行水韌處理的方法,不但能簡(jiǎn)化工藝,，節(jié)約能源，縮短生產(chǎn)周期,，而且經(jīng)濟(jì)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(duì)高錳鋼進(jìn)行預(yù)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(yàn)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?yàn)樯疃壤滠埖母咤i鋼表面形成的高密度位錯(cuò)及孿晶組織，晶粒明顯細(xì)化,，改善了鑄造高錳鋼產(chǎn)生的各項(xiàng)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(shí),，高錳鋼良好的心部韌性也將減少其磨損過(guò)程中的疲勞剝落。該軋制方法對(duì)提高高錳鋼使用效率及應(yīng)用范圍具有積極的現(xiàn)實(shí)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(shí)際應(yīng)用中，中錳鋼在鑄造和熱處理的過(guò)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(lái),，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(fù)合變質(zhì)劑的Cr,、Nb,、Mg和稀土等元素，來(lái)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?yàn)閺?fù)合變質(zhì)劑的加入能顯著地提高材料的力學(xué)性能和位錯(cuò)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(jìn)碳化物球化，增強(qiáng)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(shí)也能阻止夾雜物,、碳化物進(jìn)一步長(zhǎng)大,，使其組織明顯細(xì)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(duì)中錳鋼變質(zhì)處理的基礎(chǔ)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(shù),，即利用金屬的鑄造余熱對(duì)奧氏體錳鋼進(jìn)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(shí)現(xiàn)水爆清砂,，改善勞動(dòng)條件,，減少環(huán)境污染。現(xiàn)國(guó)內(nèi)已有多家企業(yè)采用該項(xiàng)研究成果,，并取得了較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,。 3. 超高錳鋼 近年來(lái),人們已開(kāi)始著手對(duì)具有穩(wěn)定奧氏體組織的超高錳鋼進(jìn)行研究，主要是想在普通高錳鋼標(biāo)準(zhǔn)成分的基礎(chǔ)上通過(guò)提高碳,、錳含量來(lái)達(dá)到改善錳鋼組織,，提高耐磨性的目的。 研究人員通過(guò)對(duì)Fe-C-Mn合金奧氏體的價(jià)電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),，在含C,、Mn原子的一個(gè)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(guò)對(duì)碳原子運(yùn)動(dòng)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(lái)降低碳原子的擴(kuò)散能力,，抑制碳化物的析出,。因此,，同時(shí)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(shí)具有良好的耐磨性,。 當(dāng)前,，變質(zhì)處理技術(shù)在開(kāi)發(fā)新的超高錳鋼鋼種的試驗(yàn)中，已經(jīng)取得了很大進(jìn)展,�,？蒲腥藛T在對(duì)超高錳鋼變質(zhì)處理前后的組織進(jìn)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(xì)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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