合肥水泥研究设计院鲁幼勤
1. 导言
据相关统计资料分析，我国建材、矿山、电力等行业2008年消耗球段约250万吨，衬板、锤头类铸件120万吨，出口量达数十万吨，其中水泥行业大约消耗30万吨各类金属耐磨材料。
水泥工业用耐磨材料早期主要集中在三大类：磨机衬板、研磨体、破碎机易损件。近年来伴随新型干法水泥技术的迅猛发展，辊压机、立磨成为水泥粉碎工业当仁不让的主角，耐磨材料的种类也因此增加了磨辊、磨盘等品种。下面按照高锰钢、镍硬铸铁、高铬铸铁、合金钢、非铸造类耐磨材料、研磨体等六方面逐一分析讲解耐磨材料的知识，再介绍提高易损件耐磨性的措施和典型易损件耐磨材料的选择方法。 电化学去毛刺1.1 钢铁基本知识
首先认识钢铁标准：国际标准ISO、美国标准ASTM、日本标准JIS、德国标准DIN、英国标准BS、法国标准NF、俄罗斯标准ΓOCT、中国标准GB。
1）钢和铁统称为铁碳合金，由五大基本元素构成：碳C、硅Si、锰Mn、磷P、硫S。从金属学上区分：含碳量＜2.11%时称之为钢，＞2.11%时称之为铁。通常含碳量越高，材料的硬度越高，脆性越大，反之亦然。 2）广义上钢分两大类：碳素钢与合金钢。碳素钢是不专门添加任何合金元素的钢，如：普通碳素结构钢45，优质碳素结构钢40Mn，锅炉碳素结构钢20g，碳素工具钢T7等。合金钢是为了实现某种性能专门添加合金元素的钢，如：合金结构钢40Mn2、40Cr、35CrMnSi，弹簧钢65Si2Mn，轴承钢GCr15，高速工具钢W18Cr4V，合金工具钢5CrW2Si，不锈钢1Cr18Ni9Ti等。上述钢种均为炼钢或轧钢。
如果用铸造方法生产的碳素钢与合金钢则通称为“铸钢”。铸造碳钢件ZG270-500（表示屈服强度270MPa，抗拉强度500MPa，含碳量为0.4%的铸钢）；合金钢铸件ZG38Cr2MnSiMoBRE，高锰钢（ZGMn13等）和耐热钢（ZG40Cr25Ni20等）也归类在铸钢范畴内。
3）根据含碳量的高低，又分为低碳钢（＜0.25%C）、中碳钢（0.25%~0.6%C）和高碳钢（＞0.6%C）三大类。
4）根据加入合金含量的高低，又分为低合金钢（合金总量＜2%）、中合金钢（合
金总量2~7%）和高合金钢（合金总量＞7%）。
1.2钢铁的编号
1.2.1 合金钢的编号
ZG＋数字①＋元素符号＋数字②＋元素符号＋数字③＋元素符号＋数字④……
ZG—表示为铸钢，没有ZG则表示为炼钢或轧钢；
数字①—碳的名义万分含量；
元素符号＋数字：表示该种合金元素的百分含量；若元素符号后没有数字，表示该元素含量＜1.5%；若数字标为2、3、4、5或25等，则表示该元素含量为1.5~2.49%、2.5~3.49%、3.5~4.49%、4.5~5.49%、24~27%等，依次类推。
例1：ZG38Cr4Si2MnMoVTiCuWNBRE（没有此钢种，仅为举例说明）
表示为铸钢，含碳量为0.38%，含铬量为4%，含硅量为2%，锰、钼、钒、钛、铜、钨合金元素的含量均＜1.5%，氮、硼、稀土均为万分之几的微量。
1.2.2 铸铁的编号（不标注含碳量）
例1：KmTBCr15Mo
K、m、T、B分别是抗、磨、铁、白口的第一个拼音字母，合起来的意思是抗磨白口铸铁；含铬量为15%左右，含钼量＜1.5%。
1.2.3 特殊用钢的编号
①高锰钢。ZG100Mn13、ZG120Mn17等。其中100、120表示含碳量在1.0%和
1.2%左右，13、17 表示含锰量在13%和17%左右。曲嘉瑞
②铸造耐热钢。ZG40Cr25Ni20表示含碳量为0.4%，含铬量为25%，含镍量为20%。
1.3合金元素的作用
加入各种合金元素在材料中的作用类似中药组分，设计合金钢成分就如同中药配方。合金元素在钢中所起的作用与其在钢中存在的形式有很大关系，所以同种元素，不同含量、不同配比、不同的工艺条件，会显示出不同的作用和性能。
碳是所有钢铁材料中必不可少的也是最重要的元素。总体来说，含碳量愈高，硬度愈高，韧性愈低。其它任何合金元素对机械性能的影响都没有碳的影响力大。
钼、钒、钨、钛、铬都是耐磨材料中强烈提高淬透性的贵重合金元素，锰、硅、铜、镍也有提高淬透性的作用，铜、镍或锰还有提高韧性的作用，稀土是净化晶界、提高韧性的元素，通常以稀土合金（如稀土镁、稀土硅）加入。
耐磨合金钢品种有数十种，每吨售价相差几千元，即使硬度相近，但使用寿命相
差数倍。原因就是添加的合金元素不同、加入量不同，不可仅按售价比较。
高铬铸铁产品也是如此。同样是高铬锤头，铬含量都是20%，硬度都保证＞HRC60，A家报价1.6万元/吨，B家报价1.8万元/吨，C家却报价2.5万元/吨。这有两种可能：一是A、B两家在钼元素加入量上偷工减料，二是C家产品钼含量高，甚至添加了镍、钒、铜等贵重合金元素，产品使用寿命长且安全可靠。一般人认为：高铬铸件的生产成本主要由含铬量决定，硬度相同其耐磨性也会相同。实际上在高铬铸件中，钼不但是决定其综合机械性能（尤其是厚大件）的关键元素，同时也是其生产成本高低的关键！如美国Climax钼业公司早年公布的Cr15Mo3、Cr15Mo2Cu，其含钼量分别达到了3%和2%。按目前钼铁（55%含量）价格15万元/吨计算，加上烧损，2%钼的直接成本达6,000元/吨，加上镍、钒、铜等贵重合金元素，每吨售价相差几千元实属正常。
如果在高铬锤头中少加或不加钼会怎么样呢？那会有两种情况：一则，产品表面硬度尽管也达到了HRC60以上，但其淬硬层深度有限，待表面一层磨损后，下面的硬度或许连HRC55甚至HRC50都不 日志存储
到；二则，由于材料强度、韧性均大幅度降低，很可能在实际使用中产生断裂事故。
添加单一合金元素不如添加等量的多种合金元素的作用好。由于一种元素在对一个或几个方面性能都有贡献的同时，往往也会对另一个或几个方面性能产生副作用，那么，用一个或几个元素做主要性能贡献单位，而用另外一个或几个元素来抑制、克服它们带来的不良影响。因此在耐磨材料中往往添加3~6种合金元素来共同作用，以实现最终的优良的综合机械性能指标。
1.4耐磨材料的磨损
摩擦是由运动所造成的，摩擦产生的后果是磨损。据不完全统计，世界能源的1/3消耗于摩擦磨损，80%的机器零件失效是由磨损引起的，每年水泥行业消耗的30万吨各类金属耐磨材料主要也是磨损造成的。
按磨损机制分类，目前业界大多认同以下八大类，即磨料磨损、冲击磨损、滑动磨损、接触疲劳磨损、微动磨损、冲蚀磨损、粘着磨损及腐蚀磨损。而在实际工作中，磨损往往是多机制共同作用的结果，其中磨料磨损造成的损失占所有磨损的50%以上，在水泥工业中大多是磨料磨损方式。
我们把磨料磨损简化成一个极其简单的模型，即当一个磨粒（如熟料）在外力作用下压在材料表面（如衬板），这个压力可以分为法向力和切向力。法向力使磨料压入材料表面，压力越大压入越深（此时硬度起决定作用），切向力使磨料向前推进产生犁
削（此时韧性起决定作用），由此产生了金属屑从材料表面剥离，磨损就发生了。
通常材料的耐磨性取决于材料硬度(Hm)和磨料硬度(Ha)的比值。当材料硬度与磨料硬度的比值Hm/Ha＜0.8时，为硬磨料磨损，磨损严重，需更换材料品种；当Hm/Ha ＞0.8时，为软磨料磨损，此时增加材料硬度，便会明显提高材料的耐磨性；当Hm/Ha ＜0.5时，磨料的硬度过高，再提高材料的硬度对耐磨性的贡献也不大；当Hm/Ha＞1.1时，材料硬度远高于磨料，则磨损量极低。
生产实践中，提高材料的耐磨性仅靠增加材料的硬度是不现实的，也是不完全正确的。笔者总结的经验是：相同韧性条件下，材料的硬度愈高，耐磨性愈高；相同硬度条件下，材料的韧性愈高，耐磨性愈高。这就是说，需要通过化学成分、成型方式、热处理工艺、表面处理等各种手段，获得高硬度并同时具有高韧性的耐磨材料，才能达到高耐磨性的目的。
此外，在铁矿、铜矿的湿法磨机中，衬板和钢球的磨损量远远大于水泥磨，原因是除了磨料磨损外，同时存在腐蚀磨损，且腐蚀磨损所占比例高于磨料磨损。比如，高铬铸铁衬板和高铬铸球的硬度都很高，在水泥磨中使用，其耐磨性可比其它材质提高3-5倍，但是用于粉磨铁矿石的湿法磨机中，其耐磨性提高的幅度就没有这么大。因此，在铁矿石的湿法磨机中，目前高锰钢衬板和低铬球反而占主导地位。
2. 高锰钢
高锰钢是英国的R.A.Hadfield 教授于1882年发明的一种性能优良的耐磨钢，至今已应用130年，通常称之为“第一代耐磨材料”。
2.1高锰钢特点
二维码打印设备高锰钢优点：①韧性极高（冲击韧性≥147J/cm2），几乎没有断裂的可能性，非常安全可靠；②优异的加工硬化性能，在剧烈冲击或是强大压力下，其表层迅速产生硬化，硬度可从HB200急剧升高至HB400以上，从而产生高耐磨的表层，心部奥氏体却保持着极好的韧性。就这样硬化一层、磨损一层、次表层又被硬化，连续不断、周而复始，直至磨损到失效为止。值得注意的是：假如冲击力太弱，未等表面充分硬化，便已被磨损掉了，此时高锰钢就非常不耐磨。这就是为什么高锰钢衬板大磨表现比小磨好、衬板表现不如颚板、小锤头不如大锤头的原因。
高锰钢缺点：①初始硬度很低（HB200），没有加工硬化条件下非常不耐磨。②屈服强度很低，易塑性变形。
高锰钢通常分为：普通高锰钢如ZG100Mn13，合金高锰钢ZG120Mn13Cr2，中锰
钢ZG120Mn7，超高锰钢ZG120Mn17Cr2。
因高锰钢具有高韧性和加工硬化性能，常用于圆锥破碎机轧臼壁、破碎壁，挖掘机斗齿、斗壁，铁道
道岔，拖拉机和坦克的履带板等抗冲击、抗磨损的铸件。防弹钢板，保险箱钢板以及磁悬浮列车、新型主战坦克、矿山机器人中某些部件也是高锰钢。水泥行业的大型破碎机锤头、板锤、反击板、篦板、颚式破碎机颚板等，以及矿山行业的湿法磨机衬板，目前高锰钢仍占主导地位。缪增斌面条机
由于高锰钢的初始硬度很低，易塑性变形，在低冲击条件下得不到加工硬化，水泥行业的磨机衬板、隔仓板、出料篦板和大部分锤头等易损件都不再用高锰钢。
高锰钢的水韧处理。所有耐磨材料经过热处理（淬火＋回火）后都是提高硬度，而高锰钢在加热至1050℃~1100℃，保温一定时间后再快速淬入水中，韧性反而变得极高，这种工艺就叫水韧处理。注意：入水温度一定要大于950℃，且水温绝不可超过45℃。另一关键温度为浇注温度：T(℃)=1485－0.3×壁厚(mm)。
高锰钢的合金化。在高锰钢中加铬、钼、钛等合金元素，主要目的是为了提高材料的屈服强度，减轻塑性变形，同时可适当地提高耐磨性。
硅在高锰钢中的有害作用不像磷那样引人注意，但在厚断面铸件中，硅对韧性的危害可能会是灾难性的，仅有的一点儿硅，也只是为了辅助脱氧和提高流动性。因此，硅量不宜高，甚至可以将其视为杂质。
2.2高锰钢标准
2.2.1 国际标准
表2-1《奥氏体锰钢铸件》的化学成分(%)ISO 13521∶1999
按习惯叫法，表中第1项为中锰钢，2~7项为高锰钢，8~9项为超高锰钢。
2.2.2 中国标准
1998年以前的高锰钢标准仅列出含锰量11~14%的一种高锰钢，2010年修订的新
标准与ISO标准接轨，把中锰钢、高锰钢和超高锰钢合并称为奥氏体锰钢。
表2-2《高锰钢铸件》的化学成分(%) GB/T 5680-1998
表2-3 《奥氏体锰钢铸件》的化学成分(%) GB/T 5680-2010
2.2.3 美国标准
表2-4 《奥氏体锰钢铸件》的化学成分(%) ASTM A128/A128M-93
2.2.4 日本标准
表2-5《高锰钢铸件》的化学成分(%)JIS G5131-1991
汽车夜视仪3. 镍硬铸铁
镍硬白口铸铁是美国Climax钼公司在1928年研制成功的，其综合机械性能远远
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