众所周知,磨损是产品失效的三种主要形式之一,即断裂、腐蚀、磨损。据不完全统计,能源的1/3到1,2消耗于摩擦与磨损。据美国材料政策委员会1977年测算,磨损造成的国民经济损失约150亿美元。原西德统计因磨损造成的损失每年达100亿马克。我国对磨损造成的经济损失缺乏精确的统计。根据我国冶金、建材、电力、农机、煤机等5个系统的统计,以及机械部门汽车、拖拉机、工程机械的不完全统计,估算我国年消耗金属耐磨材料达300万吨以上。1979年,美国人约斯特来华访问时曾指出,如果运用摩擦磨损理论防止和减轻摩擦磨损,中国每年可节约150亿美元。由上述可见磨损对国民经济影响之大。
因此,近半个世纪以来,对耐磨材料、磨损机理、磨损理论等的研究引起国内外学者的广泛重视,并开展了深入细致的研究工作。1977年由美国机械工程学会发起的材料磨损国际学术会议,得到了各国学者的广泛参与,迄今已召丌了八届。我国从1980年开始,由中国金属学会耐磨材料学术委员会组织召开全国性金属耐磨材料学术会议9次,组织召开专题研讨会6次。举办全国性金属耐磨材料学习班两届,共交流论文1000余篇。出版论文选集9集,收入论文近400篇。这充分说明我国在近20年来,在抗磨技术,新型耐磨材料,新工艺与设备的开发、研制、磨损理论。磨损失效分析的研究以及磨损测试技术与试验装置等取得了很大的进展,促进了我国耐磨材料科技领域的发展。
20世纪30年代以阿,国际上主要以ZGMnl3作为磨机衬板材料,后来,科研人员对ZGMnl3进行了充分的研究,认为高锰钢是借助在强烈冲击条件下,产生加工硬化,形成一层硬而耐磨的外层抵抗磨损。通常条件下,高锰钢水淬后的表面硬度只有HBl80~220,借助强烈冲击后,表面硬度可达HB495~535,甚至可达HB550。
由于工况不同,冲击条件各异,在许多情况下,高锰钢难以产生硬度高而又耐磨的立方马氏体(£)。在中低应力冲击载荷下,甚至不产生任何马氏体转变,使其耐磨性急剧降低。实际上,就磨机衬板而言,ZGMnl3的加工硬化性能并未能发挥出来,其耐磨性极差。经过对失效零件检查表面硬度,只达HRC24~35,根本没有马氏体转变。
基于上述情况,多年来国内外研究人员花费了大量精力,对ZGMnl3迸行各种处理,如通过细化ZGMnl3晶粒,以提高zGMnl3的位错密度,促进向马氏体转化;降低含锰量,以降低ZGMnl3奥氏体的稳定性,加速向马氏体转变等,ZGMnl3的抗磨性能也因此有了一定的改善,但在低应力工况下仍无根本性的改变。国外在对ZGMnl3作系统研究分析中发现,ZGMnl3除上述在低应力工况下抗磨性不足外,还有几条致命弱点:(1)在磨机工况条件下,ZGMnl3易变形,易发生流变,拉断紧固螺栓,造成衬板拆卸困难。作为隔仓板、篦扳,由于其塑性流变,常使篦缝堵塞,变形。(2)ZGMnl3热膨胀系数大,在大型水泥磨机上多次发生胀裂机壳现象。(3)ZGMnl3磨粒系非磁性,在磨粒中很难磁选出来,影响磨料质量,降低产品品质[“j。
实际上,由于上述种种原因,早在1980年以后,国外各类磨机衬板已禁止使用ZGMnl3。而高锰钢主要用于制作大型破碎机齿板,主要利用高锰钢的高韧性以确保运行可靠。在我国,高锰钢仍被当作“万能耐磨材料”应用于各类工况的抗磨件上,造成国内的耐磨件使用期限仅为国外同类耐磨件的20%~40%,浪费极为严重。国外对10种耐磨材料作了系统研究分析,推荐下列4种抗磨材料:中碳马氏体钢、高铬白口铁、镍硬铸铁和高碳铬钼珠光体钢。其中中碳马氏体钢已形成系列,供不同工况选用,从而节约了大量耐磨材料及费用。冶金、矿山及水泥行业的球磨机衬板,出于冲击力小,难于加工硬化,奥氏体锰钢已逐渐为高铬铸铁(钢)、镍硬铸铁及合金钢所取代。我国也加强了新型耐磨材料的研制丌发和应用,并先后研制成功了一些新型耐磨材料。
1)马氏体耐磨铸钢 主要分水淬钢和油淬钢两种,此外还采用风冷淬硬。水淬钢以ZG30CrMnSi为主。一般添加Ti、Mo等合金元素,以细化晶粒,增加淬透性。还采用RE(稀有会属元素)变质或RE复合变质以增加耐磨钢的韧性。此系列钢可通称为多元马氏体制磨钢,可制作各类磨机衬板及其它耐磨体。陔钢种具有一定的韧性,硬度高,抗磨性好,而且磨屑可磁选,使用过程中不变形。此外,其合余元素含量少,故其成本低,价格便宜,使用可靠,寿命是普通高锰钢的2~3倍,具有明显社会经济效益。
2)奥氏体耐磨钢属改性高锰钢,通过降低锰含量(8%~10%),以降低奥氏体的稳定性,加入Cr、Nb、Mo、Ti等碳(氮)化物形成元素以弥散析出耐磨硬质点,达到增加抗磨性的目的。
3)高铬铸铁(钢)和中铬铸铁(钢) 中铬铸铁主要用于中低等硬度物料磨损场合。高铬铸铁其含铬量往往大于15%~28%,硬度达到HRC60~67,耐磨性好,其使用寿命是高镐钢的3~4倍。
高硬度、高强度,消除脆性的高铬铸铁组织以马氏体和碳化物为主,含有少量的残余奥氏体。适当分布的残余奥氏体,一方面具有加工硬化特性;另一方面,可阻碍裂纹的扩展,从而提高材料的韧性。但因铬、钼等合金元素含量较高,成本高,售价也高,这在一定程度上限制了高铬铸铁(钢)衬板的应用。
4)橡胶材料 近年来,国际国内一些科研机构和企业相继开发出多种橡胶衬板并应用于生产。橡胶衬板具有重量轻,安装方便,噪声小,无铁屑等特点,相信今后会得到更多的应用