礦山耐磨材料的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)外科技工作者對(duì)耐磨材料進(jìn)行了廣泛而深入的研究，國(guó)際間科技交流與合作極大地推動(dòng)了耐磨材料及耐磨鑄件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，鑄造耐磨材料主要分為奧氏體錳鋼、耐磨合金鋼 (非錳系)、抗磨白口鑄鐵、抗磨球墨鑄鐵以及耐磨損復(fù)合材料 5 大類。

1 高錳鋼

在實(shí)踐中研究者發(fā)現(xiàn)，高錳鋼在靜載磨損和低能量沖擊磨損下，會(huì)出現(xiàn)由于加工硬化不足而導(dǎo)致耐磨性不佳的情況。鑒于此，科研工作者通過合金化及變質(zhì)改性處理發(fā)展了改性高錳鋼、奧氏體介穩(wěn)定易加工硬化中錳鋼；同時(shí)針對(duì)厚大斷面鑄件，為保持芯部全馬氏體組織，提高加工硬化能力，發(fā)展了一系列超高錳鋼 (Mn15、Mn17/Mn18、Mn20、Mn25)。改性高錳鋼是以常規(guī)高錳鋼為基礎(chǔ)，添加適量鉻、鉬、鈦、釩、鈮等元素，通過變質(zhì)處理獲得彌散分布的碳化物，以此提高鑄件力學(xué)性能和耐磨性。中錳鋼是在常規(guī)高錳鋼基礎(chǔ)上通過調(diào)整 C、Mn 含量，提高加工硬化能力，獲得較高耐磨性，適用于中、低沖擊載荷工況。

強(qiáng)沖擊載荷工況下，高錳鋼加工硬化能力增強(qiáng)，鑄件表面獲得較高硬度和耐磨性，同時(shí)具有良好的韌性，能夠抵抗沖擊磨損。特別是 Mn13Cr2 和Mn17Cr2 系列高錳鋼具有較高的屈服強(qiáng)度及耐磨性，在礦山破碎機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用。

在磨礦設(shè)備中，高錳鋼較早應(yīng)用于小型球磨機(jī)襯板，使用效果較好。隨著高錳鋼材料以及磨機(jī)大型化快速發(fā)展，改性高錳鋼、中錳鋼逐漸在大型球磨機(jī)、半自磨機(jī)襯板中展開應(yīng)用。但因?qū)嶋H工況、磨機(jī)規(guī)格等因素的變化，高錳鋼襯板的使用效果表現(xiàn)不一。盡管高錳鋼具有優(yōu)異的韌性，但其屈服強(qiáng)度相對(duì)較低，服役過程中襯板受到磨料和物料的不斷沖擊而表面發(fā)生相變，造成襯板局部延展變形，緊固螺栓被剪斷，襯板脫落，筒體漏漿，嚴(yán)重時(shí)甚至引起磨機(jī)筒體變形，引發(fā)安全事故。

2 非錳系耐磨合金鋼

非錳系耐磨合金鋼分為低碳中合金、中碳低合金、中碳中合金和低碳高合金等。非錳系耐磨合金鋼一般含有一定量的 Cr、Mo，有的含有較高的 Si、Mn，熱處理后組織可分為回火馬氏體或珠光體及碳化物。

非錳系耐磨合金鋼通過合金化、適宜的熱處理可獲得較高強(qiáng)度、硬度和韌性，硬韌性匹配性良好，應(yīng)用前景廣闊。近年來，水泥廠和火電廠球磨機(jī)襯板，特別是冶金礦山設(shè)備大型自磨機(jī)、半自磨機(jī)以及球磨機(jī)襯板等大量選用非錳系耐磨合金鋼。低合金珠光體鋼硬度 300～400HB，可經(jīng)得起反復(fù)沖擊，尺寸穩(wěn)定性好，不易變形，拆卸方便。自 2003 年至今，以中信重工機(jī)械股份有限公司為代表的礦山設(shè)備制造企業(yè)已自主研發(fā)了 φ5.0～12.2 m 系列半自磨機(jī)，與之配套的是珠光體耐磨鋼襯板，因其抗沖擊、耐磨損、性能穩(wěn)定及高性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，獲得良好的市場(chǎng)口碑。

實(shí)踐表明，在沖擊磨料磨損工況下，單一追求高硬度而忽視材料的韌性將使得襯板開裂率增大，同時(shí)表面產(chǎn)生的微裂紋造成基體剝落而加速磨損。因此，非錳系合金鋼的發(fā)展方向是在提高強(qiáng)度和硬度的同時(shí)，改善韌性，進(jìn)而全面提高鋼的抗沖擊和耐磨損能力。

3 抗磨白口鑄鐵

國(guó)外抗磨白口鑄鐵經(jīng)歷了 3 個(gè)發(fā)展階段，從普通白口鑄鐵發(fā)展至 Ni-Hard，到目前具有主流地位的高鉻鑄鐵。目前，高鉻鑄鐵已形成 Cr12、Cr15、Cr20和 Cr26 系列，因其優(yōu)異的耐磨性而獲得了工業(yè)化應(yīng)用。

作為礦用磨機(jī)襯板，高鉻鑄鐵的使用范圍受到一定的限制。雖然高鉻鑄鐵具有高硬度、高耐磨性，但其韌性相對(duì)較差。高鉻鑄鐵不適用于強(qiáng)沖擊載荷工況，比較適用于沖擊能量小，以研磨為主的工況，能夠充分發(fā)揮高耐磨性的特點(diǎn)。如自磨機(jī)高鉻鑄鐵進(jìn)料端襯板較其他材質(zhì)使用壽命提高約 1 倍，φ5 m 球磨機(jī)高鉻鑄鐵筒體襯板壽命長(zhǎng)達(dá) 2 年。盡管如此，高鉻鑄鐵因其較高的生產(chǎn)成本、生產(chǎn)制造及使用過程極易開裂、性價(jià)比不高等特點(diǎn)，制約了制造商和采購(gòu)商的選擇，發(fā)展空間較為有限。

4 抗磨球墨鑄鐵

目前市場(chǎng)上抗磨球墨鑄鐵有馬氏體耐磨球鐵和貝氏體-馬氏體耐磨球鐵。這 2 種耐磨球鐵通過淬火處理均可獲得高硬度及較好韌性。等溫淬火球鐵 (ADI)因其高強(qiáng)度、一定韌性和良好加工硬化特性，在國(guó)內(nèi)外已被用于磨機(jī)磨料、齒輪、凸輪軸和汽車牽引鉤等磨損件。

5 耐磨損復(fù)合材料

近些年來，國(guó)內(nèi)外耐磨材料研究開發(fā)的熱點(diǎn)主要有鋼鐵基耐磨復(fù)合材料和陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基耐磨復(fù)合材料。

在鋼鐵基耐磨復(fù)合材料方面，國(guó)外 MAGOTTEAUX 公司研制出“Bimetal”鋼鐵雙金屬?gòu)?fù)合技術(shù)、“Duocast”復(fù)合技術(shù)及“Xwin”技術(shù)。針對(duì) WC、TiC、Al2O3、SiC 等陶瓷顆粒特性，研究了其與鋼鐵(液)冶金結(jié)合效果及表面復(fù)合材料技術(shù)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了多種陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基表面復(fù)合材料。耐磨損復(fù)合材料可分為雙液雙金屬材料、高鉻鐵-鋼鑲鑄材料、高鉻鐵-鋼機(jī)械組合材料等。雙液雙金屬?gòu)?fù)合材料具有高硬度、一定的沖擊韌性和抗沖擊磨損性能，已應(yīng)用于破碎機(jī)錘頭、破碎機(jī)襯板等耐磨件。實(shí)踐表明，破碎機(jī)雙液雙金屬?gòu)?fù)合襯板使用效果良好，使用壽命大幅提升，達(dá)到高錳鋼襯板 2 倍以上。

與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)外一些大型粉磨設(shè)備設(shè)計(jì)制造公司發(fā)明了橡膠金屬?gòu)?fù)合襯板。鋼-橡復(fù)合襯板結(jié)合了高性能合金鋼、橡膠和普通鋼等材料的優(yōu)點(diǎn)，獲得優(yōu)良綜合性能。鋼-橡復(fù)合襯板現(xiàn)已應(yīng)用于自磨機(jī)及半自磨機(jī)低磨損區(qū)域 (進(jìn)、出料端蓋局部倉(cāng)位)，因其質(zhì)量輕，成本低，有利于降低磨機(jī)運(yùn)行功率而不影響磨礦效果，工業(yè)化效果良好。

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