抗磨材料的市场需求与发展趋势

在水泥建材、火力发电和冶金矿山工业领域里，全国每年用于破碎水泥、煤粉和矿石等物料的易损零件要消耗百余万吨。美国每年因工件磨损造成的经济损失，约占国民经济总产值的1%～2%，即每年损失达数百亿美元，其中，磨料磨损占总的磨损损失的一半。因此，提高易损零件的使用寿命一直为国内外研究部门和生产部门所重视。

长期以来，抗磨铸件主要采用普通白口铸铁，它在白口铸铁的发展中被认为是第一代白口铸铁。为了获得该种材质，往往采用低硅、高铬、高锰和高硫来得到完全的白口铸铁组织；或者采用与灰铸铁成分相类似的铁液在金属型（或背靠冷铁）中浇注而成，由于金属型（或冷铁）的冷速快，因而得到所要求的白口组织。如果在铸件表面呈白口，随后是一定宽度的麻口区，中心则是灰口组织，该种铸件叫做冷硬铸铁件。这种方法的优点是由于铸件心部是灰口组织，因而它的抗断裂性得到明显改善。

白口铸铁首次在工业上用作抗磨材料，可追溯到可锻铸铁件退火过程发展的初期。中国早在春秋战国时代，就已经能制作可锻铸铁的农具；在欧洲，于1722年才出现白口铸铁的生产方法。供可锻化处理的白口铸铁，可作为抗磨材料使用。接着，发展了高碳低硅白口铸铁，专门用作抗磨材料。这种不特意加入合金元素的白口铸铁，显微组织中没有石墨，而是由渗碳体和珠光体所组成 （硬度范围在500HV左右）。即使到今天，这种铸铁仍较为广泛地用于要求抗磨料磨损的场合。然而，由于它性脆，其应用也受到了限制。为改善脆性，可降低含磷量（＜0．1%），也可降低含碳量（＜3．0%），但是，这样改善的幅度毕竟是有限的，并且，它的硬度值也不能满足磨料磨损所提出的日益增长的要求，当然，这种普通白口铸铁的主要优点是它的价格低廉，而且可用冲天炉生产。普通白口铸铁的化学成分为：w（C）2．8% ～3．6%，w（Si）=0．5% ～1．3%，w（Mn）=0．4% ～0．9%。

白口铸铁发展中的重要里程碑，就是在1928年研制成功的、著名的镍硬铸铁，它是白口铸铁发展中的第二代。由于Ni、Cr合金化的作用，所以得到非常硬而抗磨的马氏体基体。这种材料在矿石处理和冶金轧辊领域里具有广泛的应用。这种含有大约4%Ni和2%Cr的合金白口铸铁，由于硬度增高（550～650HBS），而使其抗磨性能有了很大改善。但是，这种铸铁仍呈现其固有的脆性，这是由于它含有大约50%的渗碳体 （碳化物）所致。这是指的Ni Hard1型和Ni Hard2型的情况。但是，到了20世纪50年代末期，进一步发展了含铬量高于8%的Ni Hard4型合金白口铸铁，此时，由于碳化物的组织形态发生了改变，因而使韧度得到了改善，镍硬铸铁的成分和性能见表12-1和表12-2。

表12-1　镍硬铸铁成分 （质量分数，%）

(www.xing528.com)

表12-2　镍硬铸铁的力学性能

高铬白口铸铁是白口铸铁发展的第三代。差不多在1930年发展镍硬马氏体白口铸铁的同时，主要是在美国，对高铬铸铁 （含铬量达30%）的研制工作不断地进行着。这种铸铁（与低铬铸铁相比）在工业上发展较慢，因为它要求用电炉熔炼设备进行生产。这是由于铬与碳有很强的亲和力，在冲天炉熔炼时极易吸收碳分；同时，也是由于高铬铸铁要求较高的浇注温度。在第二次世界大战以后，随着电炉熔炼的增加，高铬铸铁作为抗磨材料（15Cr3Mo为代表），有了相当的发展。高铬铸铁的成功是由于它具有的两个主要优点：其一，在含铬大于12%时，会形成Cr7C3 型碳化物，它的硬度比渗碳体 （Fe3C）要高，因而有更高的抗磨性能，并且Cr7C3 型碳化物呈断续的块状，而不是呈网状，因而就显著改善了冲击韧度。其二，高铬白口铸铁的基体组织可根据不同的使用要求而变化，从全部为奥氏体（基体可加工硬化），通过不同的冷却方式与热处理，可得到珠光体、索氏体、屈氏体（托氏体）和马氏体组织。

这里要指出的是，高铬铸铁作为第三代抗磨白口铸铁材料，在干磨 （水泥）的情况下，具有优异的抗磨性能。但是，在湿磨（矿石）的情况下，由于腐蚀磨损严重，高铬铸铁就不再具有明显的优越性。研究表明，在湿磨工况下，磨损不仅与矿石硬度、磨矿介质的组织与性能有关，而且还与矿浆的电化学活性、pH值和流变特性有关。业已发现，在湿磨情况下，磨球消耗可达干磨情况的7倍。因此，电化学腐蚀在湿磨条件下具有重要的影响。

为此，研究在干磨与湿磨工况条件下均具有优异抗磨性能的新材料，就具有迫切的现实意义。