耐磨金属材料在磨料磨损状态下的磨损及其特性分析

陆建华（黄石华星机械有限公司，湖北 黄石435000）

1 磨损机理分析

磨损是由工作表面的相对运动而产生。有粘着、磨料、疲劳和腐蚀四种基本类型磨损。本文着重阐述石灰石磨料对金属材料的磨损。

耐磨零件表面存在着形状相似而大小不等的粗糙峰，当另一物料物体和它接触并产生相对运动时，产生的结果是：①耐磨零件表面自然形成一层膜，降低摩擦副的摩擦系数，提高耐磨性。②在压应力作用下使粗糙峰产生变形并产生新的粗糙峰。③在剪应力作用下使粗糙峰产生剪切破坏。④物料的硬粗糙峰嵌入耐磨零件表面而犁出沟槽使零件材料损失。⑤脆性材料的粗糙峰也有发生剥落和脆断的可能性[1]。⑥单位时间通过粗糙峰的物料数量多少影响交变应力循环次数N，导致粗糙峰疲劳破坏。⑦当物料为湿态时，零件表面自然形成的膜减少或消失，从而加剧磨损。⑧当耐磨零件产生高温时，耐磨零件高温强度不足，高温使得零件表面粗糙峰的屈服限σs及剪切限τs下降，加剧磨损。

2 物料状态对金属材料耐磨性的影响

通过对磨损机理分析，不难理解石灰石磨料对金属材料磨损的各种现象。但磨损现象是极其复杂的，一般来说，物料的硬度、金属零件的硬度至关重要。物料及金属零件成份影响到其硬度、强度和韧性。物料的这些特性越高，则金属零件磨损加剧，反之，金属零件的这些特性越高，其抗磨能力越强。其次，物料的粒度、相对速度、干湿状态及温度对耐磨零件的影响也较大。物料粒度越大，相对运动速度越快，湿度及温度越高，通常加剧金属零件的磨损。

3 各种耐磨金属材料的种类及其特性分析

一般情况下，耐磨金属材料可分四类：即高锰钢类、合金钢类、高铬铸铁类、双金属复合材料类。下面就这四类耐磨金属材料的特性进行分析。

3.1 高锰钢类

奥氏体高锰钢韧性好，表面硬化能力强。前面已述，影响金属零件的耐磨性最主要的因素是其硬度。试验表明，普通高锰钢表面硬化硬度最高可达HRC54，而这需要在强冲击下取得，在弱冲击状态下，自然失去其意义。为了提高高锰钢的硬化能力，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。为了提高耐磨性，铸造高锰钢零件可采用金属模铸造使其晶粒细化，或使其内部存在一定数量的马氏体，提高初始硬度，适当降低韧性。不管怎样，高锰钢硬化能力强，但硬化硬度有限，并且在实际应用中，表面硬化硬度是局部的，零件工作表面的平均硬度一般为HRC48-52。因此，高锰钢使用需要在强冲击下对零件韧性要求较高的情况下。

3.2 合金钢类

合金钢材料成本较低，在热处理后硬度一般为HRC45-55。该材料铸件晶粒细于高锰钢，耐磨性强于高锰钢，韧性相比明显要低。该材料成份主要由Cr、Mo、（Ni）合金组成，随着含C量的增加，热处理方式的改变，硬度、耐磨性提高，韧性下降。含Cr、Mo、W、V的合金钢通过热处理硬度可达HRC60，但韧性更差。因此，如果能处理好硬度和韧性的关系，该材料在实际应用中是很适用的。

3.3 高铬铸铁类

高铬铸铁用作耐磨材料使用较多的有Cr15、Cr20高铬铸铁，韧性相对最差。含Ni的高铬铸铁韧性有所提高，随含Ni量的增加，淬透性也提高，但热处理后残余奥氏体也增加，降低硬度。高铬铸铁在热处理后硬度可达HRC60，一般来说，该耐磨零件不能用于冲击工况，但要看耐磨零件的尺寸大小，小尺寸高铬铸铁零件不仅可用于较大冲击，甚至高温淬火用水冷也不会裂。总之高铬铸铁耐磨性很好，应用要看工况，零件大小等。

3.4 双金属复合材料类

通常双金属复合材料有三种形式：一是高韧性钢加高铬铸铁或合金钢熔铸式，另一种是由高韧性钢加高铬铸铁或合金钢或硬质合金镶嵌式[2]，还有一种较普遍的是在高韧性钢上面堆焊高铬铸铁。一般来说，耐磨金属零件在应用中不同部位需要有不同韧性和耐磨性，该材料就是适应这种要求而产生的，它兼顾了硬度和韧性的关系，具有良好的效果。首先高韧性钢满足了耐磨零件韧性的要求，高铬铸铁或合金钢等硬度都可高达HRC60，满足了零件高耐磨性的要求。例如：熔铸高铬铸铁或合金钢双金属复合锤头使用寿命是高锰钢的1.5-2倍以上。试验表明，高铬铸铁和合金钢硬度相同，其耐磨性也相当，它们的复合材料成本都低。镶嵌式的优点不及熔铸式，因此，双金属熔铸式复合材料是一个很好的发展方向，并可扩展到衬板、板锤等其它耐磨金属零件。

[1] 温诗铸.机械工程师进修大学刊授教材.摩擦学［M］. 北京：机床杂志出版社， 1985.（8）129-133.

[2] 中国机械工程学会铸造分会.铸造手册.铸铁［M］.北京：机械工业出版社，2006.（8）567-571.