正文:摘要:本文通过对抗磨材料发展历程的分析,总结了贯穿其中的几点重要开发思路,以期能够对今后抗磨材料的开发应用起作用。
关键词:抗磨材料;开发思路;耐磨性
中图分类号:TG141 TG142.72
文献标识码:A
Abstract: this paper sum up several important exploitation ideas of the anti-wear material by analysing its developing history,we hope that it can react on the anti-wear material`s exploration and application in the future.
Key words: anti-wear materials; expoitation idea; wear-resistant propertis
材料磨损作为金属材料三个主要失效形式之一,由此而造成的经济损失十分惊人,国内每年消耗金属耐磨材料在300 万吨以上[1]。在各类磨损中, 磨料磨损又占有重要的地位, 在金属磨损总量中占50%以上, 磨料磨损已成为冶金、矿山、机械、电力、交通、能源等许多工业部门设备失效或材料破坏的一个重要原因;而且随着中国经济的持续快速增长,以及国家对各项重大工程和基础设施投资力度的加大,磨料磨损问题对国民经济的影响将日益突出,因此,合理选择和使用抗磨材料,研究和发展新型抗磨材料, 减少金属磨损, 对国民经济具有重要的意义。合理选用已有抗磨材料和开发新型抗磨材料一直是材料工作人员的努力目标,那么如何才能又快又好地实现目标呢?由于材料的磨料磨损耐磨性并不是材料的固有特性,而是与它服役的磨损系统有关,它受摩擦工况条件,环境和材料自身因素的影响,因此没有适合各种工况的“万能”抗磨材料,这也决定着抗磨材料的发展不会是一枝独秀。纵观现代抗磨材料的发展历程,如果能深刻把握其主要开发思路,将会对抗磨材料的开发应用起到一定的指导作用。抗磨材料的发展主要经历高锰钢,普通白口铸铁,镍硬铸铁,高铬铸铁,合金耐磨钢几个阶段,近年来复合材料和陶瓷材料以及硬质合金应用于抗磨领域的研究也日益增多。通过对这些材质组织性能等方面的分析和抗磨材料研究现状的总结,可将其开发思路概括为以下几点。
1.材料组织方面以“强韧性基体+优越状况的硬颗粒”为发展目标
材料的磨料磨损有多种分类方法,按照对材料的力学作用特点可将其分为三类:凿削式磨料磨损(一般有严重的冲击作用),研磨磨料磨损(又称高应力磨料磨损),刮伤磨料磨损(又称低应力磨料磨损)。
对于一般的磨料磨损,硬颗粒起到对基体的保护作用,而基体也必须有一定的强度和韧性相配合起支撑作用,这样可以保证硬颗粒不脱落。基于这种组织考虑,努力的方向在于两方面:①获得强韧性的基体,着重于综合性能,以M或B基体为好。要注意材料的淬透性和热处理。②硬颗粒,要保证获得较硬的颗粒(一般为碳化物或合金碳化物),并且颗粒的大小,数量,形态,分布都将影响其耐磨性能。
耐磨合金铸铁发展情况充分体现这一思想,其发展分为普通白口铸铁、镍硬铸铁和高铬白口铸铁 3 个阶段,见表1。表2列出了铁基合金中各种显微组织和几种碳化物的硬度值以及常见矿物物质硬度。普通白口铸铁由于没有加入必要的合金元素,其显微组织是由珠光体和网状渗碳体或莱氏体组成,显微硬度不高,同时因网状渗碳体脆性很大,不适合高应力磨损的需要。但白口铸铁的生产工艺简单,价格低廉,故在工业上一些特定场合仍有应用,其研究工作仍在进行,如通过微合金化和热处理改善组织性能方面做了大量的工作[2.3.4]。
表1 耐磨铸铁发展情况表(table 1 development of wear-resistant cast)
耐磨铸铁发展阶段 |
凝固模式 |
主要特点 |
普通白口铸铁 |
L→P+Fe3C(或有莱氏体) |
价廉且工艺简单,一般直接使用铸态但渗碳体呈板状或网状,莱氏体为蜂窝状,珠光体不耐磨 |
镍 硬 白 口 铸 铁 |
镍硬Ⅰ |
L→A+M+M3C→M+AR+ M3C |
合金元素多,特别是镍(3.3%-5%)淬透性高,但会有残奥存在。马氏体基体和硬的合金碳化物保证了良好的耐磨性 |
镍硬Ⅳ |
L→A+M+(M3C)+ M7C3 →M+AR+ (M3C)+ M7C3 |
镍量5%-7%,铬量7%-11%,硅量1.8%-2.0%,铸态就能得到马氏体,适应厚大件要求。因有M7C3型碳化物,耐磨性提高,但由于碳化物主要是连续片状的渗碳体, 脆性较大 |
高铬白口铸铁 |
L→A+ M7C3 →M+AR+M7C3 |
大量铬元素的加入,且控制铬碳比, 使碳化物结构类型由网状 M3C 型变为孤立的杆状 M7C3 型,碳化物硬度提高,且减少了对基体的割裂作用这样不仅提高了耐磨性,而且提高了韧性。 |
表2 铁基合金中各组织的硬度值以及常见矿物物质硬度
(table 2 hardness value of microstructures in Iron alloy and familiar mineral)
金属显微组织 |
铁素体 |
珠光体(不含合金元素) |
珠光体(含合金元素) |
低合金奥氏体 |
高铬铸铁中的奥氏体 |
马氏体 |
渗碳体 |
硬度(HV) |
70―200 |
250―320 |
300―460 |
250―350 |
300―600 |
500―1010 |
840―1100 |
碳化物 |
M7C3 |
Mo2C |
WC |
VC |
TiC |
B4C |
|
硬度(HV) |
1200―1600 |
1500 |
2400 |
2800 |
3200 |
3700 |
|
矿物质 |
方解石 |
磷灰石 |
长石 |
石英 |
黄石 |
氧化铝 |
碳化硅 |
硬度(HV) |
140 |
540 |
600-700 |
900-1280 |
1430 |
1800 |
2600 |
镍硬白口铸铁中添加了大量镍元素,和一定量的铬元素。在较高含铬量的镍硬Ⅳ型铸铁中, 出现了部分M
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