耐磨金屬材料在磨料磨損狀態(tài)下的磨損及其特性分析

陸建華（黃石華星機械有限公司，湖北 黃石435000）

1 磨損機理分析

磨損是由工作表面的相對運動而產生。有粘著、磨料、疲勞和腐蝕四種基本類型磨損。本文著重闡述石灰石磨料對金屬材料的磨損。

耐磨零件表面存在著形狀相似而大小不等的粗糙峰，當另一物料物體和它接觸并產生相對運動時，產生的結果是：①耐磨零件表面自然形成一層膜，降低摩擦副的摩擦系數，提高耐磨性。②在壓應力作用下使粗糙峰產生變形并產生新的粗糙峰。③在剪應力作用下使粗糙峰產生剪切破壞。④物料的硬粗糙峰嵌入耐磨零件表面而犁出溝槽使零件材料損失。⑤脆性材料的粗糙峰也有發(fā)生剝落和脆斷的可能性[1]。⑥單位時間通過粗糙峰的物料數量多少影響交變應力循環(huán)次數N，導致粗糙峰疲勞破壞。⑦當物料為濕態(tài)時，零件表面自然形成的膜減少或消失，從而加劇磨損。⑧當耐磨零件產生高溫時，耐磨零件高溫強度不足，高溫使得零件表面粗糙峰的屈服限σs及剪切限τs下降，加劇磨損。

2 物料狀態(tài)對金屬材料耐磨性的影響

通過對磨損機理分析，不難理解石灰石磨料對金屬材料磨損的各種現象。但磨損現象是極其復雜的，一般來說，物料的硬度、金屬零件的硬度至關重要。物料及金屬零件成份影響到其硬度、強度和韌性。物料的這些特性越高，則金屬零件磨損加劇，反之，金屬零件的這些特性越高，其抗磨能力越強。其次，物料的粒度、相對速度、干濕狀態(tài)及溫度對耐磨零件的影響也較大。物料粒度越大，相對運動速度越快，濕度及溫度越高，通常加劇金屬零件的磨損。

3 各種耐磨金屬材料的種類及其特性分析

一般情況下，耐磨金屬材料可分四類：即高錳鋼類、合金鋼類、高鉻鑄鐵類、雙金屬復合材料類。下面就這四類耐磨金屬材料的特性進行分析。

3.1 高錳鋼類

奧氏體高錳鋼韌性好，表面硬化能力強。前面已述，影響金屬零件的耐磨性最主要的因素是其硬度。試驗表明，普通高錳鋼表面硬化硬度最高可達HRC54，而這需要在強沖擊下取得，在弱沖擊狀態(tài)下，自然失去其意義。為了提高高錳鋼的硬化能力，可以使其合金化，即在成份上添加Cr、Mo、W等合金，表面硬化硬度可提高至HRC56。為了提高耐磨性，鑄造高錳鋼零件可采用金屬模鑄造使其晶粒細化，或使其內部存在一定數量的馬氏體，提高初始硬度，適當降低韌性。不管怎樣，高錳鋼硬化能力強，但硬化硬度有限，并且在實際應用中，表面硬化硬度是局部的，零件工作表面的平均硬度一般為HRC48-52。因此，高錳鋼使用需要在強沖擊下對零件韌性要求較高的情況下。

3.2 合金鋼類

合金鋼材料成本較低，在熱處理后硬度一般為HRC45-55。該材料鑄件晶粒細于高錳鋼，耐磨性強于高錳鋼，韌性相比明顯要低。該材料成份主要由Cr、Mo、（Ni）合金組成，隨著含C量的增加，熱處理方式的改變，硬度、耐磨性提高，韌性下降。含Cr、Mo、W、V的合金鋼通過熱處理硬度可達HRC60，但韌性更差。因此，如果能處理好硬度和韌性的關系，該材料在實際應用中是很適用的。

3.3 高鉻鑄鐵類

高鉻鑄鐵用作耐磨材料使用較多的有Cr15、Cr20高鉻鑄鐵，韌性相對最差。含Ni的高鉻鑄鐵韌性有所提高，隨含Ni量的增加，淬透性也提高，但熱處理后殘余奧氏體也增加，降低硬度。高鉻鑄鐵在熱處理后硬度可達HRC60，一般來說，該耐磨零件不能用于沖擊工況，但要看耐磨零件的尺寸大小，小尺寸高鉻鑄鐵零件不僅可用于較大沖擊，甚至高溫淬火用水冷也不會裂?？傊咩t鑄鐵耐磨性很好，應用要看工況，零件大小等。

3.4 雙金屬復合材料類

通常雙金屬復合材料有三種形式：一是高韌性鋼加高鉻鑄鐵或合金鋼熔鑄式，另一種是由高韌性鋼加高鉻鑄鐵或合金鋼或硬質合金鑲嵌式[2]，還有一種較普遍的是在高韌性鋼上面堆焊高鉻鑄鐵。一般來說，耐磨金屬零件在應用中不同部位需要有不同韌性和耐磨性，該材料就是適應這種要求而產生的，它兼顧了硬度和韌性的關系，具有良好的效果。首先高韌性鋼滿足了耐磨零件韌性的要求，高鉻鑄鐵或合金鋼等硬度都可高達HRC60，滿足了零件高耐磨性的要求。例如：熔鑄高鉻鑄鐵或合金鋼雙金屬復合錘頭使用壽命是高錳鋼的1.5-2倍以上。試驗表明，高鉻鑄鐵和合金鋼硬度相同，其耐磨性也相當，它們的復合材料成本都低。鑲嵌式的優(yōu)點不及熔鑄式，因此，雙金屬熔鑄式復合材料是一個很好的發(fā)展方向，并可擴展到襯板、板錘等其它耐磨金屬零件。

[1] 溫詩鑄.機械工程師進修大學刊授教材.摩擦學［M］. 北京：機床雜志出版社， 1985.（8）129-133.

[2] 中國機械工程學會鑄造分會.鑄造手冊.鑄鐵［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.（8）567-571.