第1章 耐磨材料产业历史、现状与地位

1.1 耐磨材料概况

1.1.1 耐磨材料的主要特点与应用领域

磨损、腐蚀与断裂是材料的三大失效方式。材料磨损是经济建设,特别是工业生产中很常见的现象,其中又以磨料磨损(包括伴有腐蚀和粘着磨损的磨料磨损)最为严重。由此而派生出来了一个日益引起人们注意的产业——耐磨材料(耐磨件)产业。本书所述的铸造耐磨材料及耐磨铸件就是指用于磨料磨损工况的材料和零部件。

目前用于磨料磨损工况的材料和零部件绝大多数是钢铁材料和钢铁件,其中绝大多数是铸造钢铁材料和钢铁铸件。本书所述的铸造耐磨材料及耐磨铸件专指铸造耐磨钢铁材料及耐磨钢铁铸件。

现已工程化和产业化的铸造耐磨材料分为以下五大类:

1)奥氏体锰钢(含Mn13钢系列、Mn17钢系列、Mn25钢和Mn7钢系列)。

2)耐磨损白口铸铁(含高铬、中铬、低铬白口铸铁系列)。

3)非锰系耐磨损合金钢(奥氏体锰钢之外的耐磨合金钢)。

4)耐磨损球墨铸铁。

5)耐磨损钢铁复合材料。

耐磨钢铁材料虽分为五大类,但已经产业化的具体钢铁牌号却已超过百个,典型牌号也有40～50个,而且各种牌号的生产工艺、力学性能和工业应用效果均有不同,如此逐渐形成了多品种和小批量的耐磨件生产特点,也由此增加了耐磨件企业生产管理和工艺操作的难度。换言之,铸造耐磨钢铁件生产企业的管理、技术和生产操作要求较高,当然耐磨件的附加值也较高。

铸造耐磨材料及耐磨铸件的主要特点是硬度高、强度高和韧性高。根据硬度、强度和韧性的匹配组合,铸造耐磨材料及耐磨铸件可用于冲击磨料磨损、高应力碾碎磨料磨损、低应力冲刷磨料磨损、粘着磨损等工况；另据其抗高温和耐腐蚀特性又可用于高温磨料磨损和腐蚀磨料磨损工况。

铸造耐磨材料及耐磨铸件主要用于冶金、建材、电力、建筑、机械、国防、船舶、铁道、煤炭、化工和石化工业中的磨损工况,特别是用于冶金工业的采矿挖掘机和破碎机、选矿磨矿机(球磨机)、金属轧机,电力工业的火电厂磨煤机,建材工业的水泥厂球磨机、采石厂破碎机和挖掘机等。球磨机磨球与磨段、球磨机衬板、破碎机耐磨件、斗齿类耐磨件、杂质泵过流件与耐磨管道、铸造轧辊与辊环这六大类耐磨件是目前市场用量较大的耐磨件。初步统计,2009年我国用于磨料磨损工况的钢铁耐磨材料铸件年用量约350万t以上。

1.1.2 耐磨材料的发展历史

已工程化和产业化的五大类铸造耐磨材料,按材料产业化的先后次序及工程化技术的成熟程度排序大体上是:奥氏体锰钢、耐磨损白口铸铁、非锰系耐磨合金钢、耐磨损球墨铸铁、耐磨损钢铁复合材料。

耐磨铸钢广泛用于各种磨损工况。100余年来新的耐磨钢钢种层出不穷,其冶炼、铸造、热处理和机加工工艺不断改进,耐磨铸钢的综合力学性能、耐磨性和使用寿命逐步提高,其应用领域日渐扩大。

英国人Hadfield是现代耐磨铸钢的奠基人。Hadfield在1882年9月发明了耐磨高锰钢(又称Hadfield高锰钢)。Hadfield是伟大的发明家,他在1882年研制的耐磨高锰钢主要成分是w(C)=1.35%,w(Si)=0.69%,w(Mn)=12.76%,其主要特点是有很好的韧性,而且在冲击载荷下越磨越硬。1892年高锰铸钢首次在电车轨道道岔上试用成功,之后100余年耐磨高锰铸钢得到了广泛的应用,至今仍在许多强烈冲击磨损工况中应用,如用做圆锥式破碎机轧臼壁和破碎壁、大型颚式破碎机颚板等。

中、高碳低合金和中合金耐磨铸钢的发展则是与合金结构钢的发展相伴的。1878—1888年,法国的冶金学家冶炼出镍合金钢,此后各种中碳合金结构相继出现。20世纪初典型的4340(40NiCrMo)合金钢[w(C)=0.4%,w(Ni)=1.65%～2.00%,w(Cr)=0.70%～0.90%,w(Mo)=0.20%～0.30%]即开始应用直到现在。中、低合金耐磨铸钢的发展借鉴了合金钢的化学成分,但在制备工艺上特别是热处理工艺,与合金结构钢有较大的不同,大多采用淬火后低温回火的热处理工艺,以获得高强度、高硬度和一定韧性的配合,以满足耐磨损的要求。中、低合金耐磨铸钢的发展还有一个显著的特点,那就是在中低冲击或无冲击的磨损工况中逐渐替代了高锰钢并表现出卓越的性能价格比,这也是中低合金耐磨铸钢得以广泛应用的重要原因。以水泥球磨机衬板为例,1960年代及之前绝大多数衬板采用高锰铸钢,进入1970年代以后,逐渐使用了中碳低合金耐磨铸钢,1990年代我国又开始应用中碳中合金耐磨铸钢。

在工业发达国家中,中、低合金耐磨铸钢多为Cr、Mo或Cr、Ni、Mo系合金钢,在我国曾有一段时间着力开发符合我国合金资源情况的Si、Mn系合金钢,其典型钢种是30Mn2Si。但随着国内外技术交流的扩大和生产实践的总结,人们逐渐意识到采用多元合金化是提高耐磨铸钢淬透性、强韧性和硬度行之有效的方法,因而近些年的中、低合金耐磨铸钢大多采用了Cr、Mo、Ni、Si、Mn多元合金化。

我国在1980年代之后大力开展了中、低合金耐磨铸钢的研制和工业应用工作,取得了一系列成果,较典型的耐磨钢是30CrMnSiMoNi钢和Cr5Mo钢。它们用于制造球磨机衬板、锤破机锤头及挖掘机斗齿等典型耐磨件,获得了良好经济效益。这一时期,我国的许多单位还开展了v、Ti、Nb、RE、B等微量元素在耐磨铸钢中的应用研究,进一步提高了耐磨铸钢的综合性能。

在奥氏体锰钢的发展过程中,除了Mn13系列高锰钢,中锰钢[w(Mn)=6%～8%,w(Mo)=0.9%～1.2%]和Mn17系列高锰钢[w(Mn)=16%～19%]也得到了发展。美国的Climax钼公司在1970年代发展了中锰钢,该钢种以牺牲一些韧性换取高的加工硬化性能,用于冲击不特大的磨损工况。该钢种早已列入美国ASTM标准,并在1999年列入ISO奥氏体锰钢铸件标准。Mn17系列高锰钢更适于厚大铸件的生产,以高的韧性和加工硬化能力得以应用。该钢种在1999年列入ISO奥氏体锰钢铸件标准。

耐磨铸铁的发展历史应追溯到普通白口铸铁(无合金白口铸铁)的诞生时代。在公元前5世纪的春秋晚期,中国人已经能冶铸白口铸铁了。该铸铁主要用于制作农业耕作用的犁铧等农具。

普通白口铸铁硬度较低且脆性较高,致使其应用受到了限制。1920—1930年,国际镍公司向普通白口铸铁中加入Ni、Cr等合金元素,研制出了具有较高硬度和耐磨性的镍硬铸铁,即镍硬Ⅰ型和镍硬Ⅱ铸铁。在晚些时候,国际镍公司进一步开发了w(Ni)=5.0%～6.5%、w(Cr)=8.0%～9.0%和w(Si)=1.8%～2.0%的镍硬Ⅳ型铸铁。

早在1917年就出现了w(Cr)=27%的高铬铸铁专利。从1930年代开始,美国Climax钼公司较系统地研究开发了w(Cr)=10%～30%的高铬铸铁,推出了以Cr15Mo3为代表的一系列高铬铸铁。高铬铸铁主要特点是M7C₃型共晶碳化物硬度高且呈孤立条块状分布于基体之中。高铬铸铁具有较高硬度、耐磨性和一定韧性的配合。随着电炉熔炼的增加,高铬铸铁作为耐磨材料的生产和应用有很快的发展,迄今已成为世界上工业应用最广泛的一种耐磨铸铁。在高铬铸铁的发展过程中,我国的一些研发和生产单位从1970年代末开始就高铬铸铁的成分、组织、力学性能、耐磨性、铸造和热处理生产技术,以及工业应用等开展了系列工作,取得了丰硕的成果。

高铬铸铁和镍硬铸铁含有较多的合金元素或贵重元素因而价格较高,1960年代就已有低铬或低合金铸铁的研发报告,内容涉及了合金成分、热处理工艺和耐磨性能等,适用于两个硬度水平的珠光体基体和马氏体基体也得到了研究。1980年代以后,我国一些企业开始批量生产铸态和去应力处理的低铬铸铁磨球,推动了低铬合金铸铁的发展。1980—1990年代,我国专家学者研究开发了w(Cr)=7%～10%的中铬铸铁,研究了M7C₃型碳化物体积分数、淬透性、淬火工艺及铸态去应力处理等技术难题,现已实现了产业化。

1940年代末,人们发明了现代球墨铸铁,之后人们将等温淬火工艺尝试用于球墨铸铁。1970年代末期,芬兰、美国和我国的专家学者几乎同时宣布研究成功等温淬火球墨铸铁。1980—1990年代,人们特别是我国专家学者研发成功了采用水溶液中连续冷却淬火工艺的马氏体耐磨球墨铸铁及硅锰合金化的贝氏体-马氏体耐磨球墨铸铁,并实现了产业化。

用于磨损工况的钢铁复合材料技术出现在我国明代中期。在加热的低碳钢农具本体上淋上少许白口铸铁液,待之冷凝到一定程度入水淬火,得到外硬内软的复合材料。这种技术在民间流传较广,至今仍对现代耐磨损双金属(钢铁)复合材料的生产有指导意义。

为了解决耐磨铸铁韧性较低和耐磨铸钢耐磨性不足的工程技术难题,人们研究开发了兼具高耐磨性、高硬度、高韧性和高强度的现代耐磨损复合材料。1960年代出现了钎焊方法生产的Cr15Mo3高铬铸铁/低碳钢耐磨复合材料、双熔液浇注法生产的合金白口铸铁/球墨铸铁耐磨复合材料,以及马氏体白口铸铁内镶铸钢栅的耐磨复合材料。之后,钢铁双液法、隔板双液法、高铬铸铁块镶铸法、高铬铸铁块粘结法、高铬铸铁块机械配合法、硬质合金块镶铸法及金属陶瓷颗粒铸渗法等耐磨复合材料工艺相继得到尝试。