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耐磨合金

/wear resistant alloy/
条目作者李曙

李曙

最后更新 2023-08-11
浏览 178
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专用于制造耐磨部件或涂敷于工件表面以提高其耐磨性的合金。

英文名称
wear resistant alloy
所属学科
材料科学与工程

耐磨合金应用于相互接触又相对运动的机械设备摩擦副部件中,具有抵抗材料磨损的功能,包括典型摩擦副常用合金和专为适应某些工况而开发出的合金。在遭受摩擦的条件下,耐磨合金起到提高零部件耐磨性、延长使用寿命、保证设备稳定运行的作用,广泛应用于矿山、水泥、电力、农业、冶金、航天和军工等行业领域。耐磨合金的首要性能要求是耐磨性。然而,耐磨性不是材料的固有或本征属性,而是与其应用工况密切相关的材料使役(服役)性能,这一点与材料的耐蚀性可以类比。例如,在高冲击环境下使用的耐磨合金一般选用的是高锰钢,但在小冲击载荷环境中,选用高锰钢就发挥不出其形变硬化的优势,而选用高铬铸铁则更为合适。又例如,在多相流冲蚀工况中,如果冲击以小攻角为主,则选用高硬度的耐磨合金有利;如果以大攻角为主,则要求耐磨合金具有高韧性,此时,硬度高的材料反而容易发生脆性剥落。因此,针对不同的工况条件,正确开发和选用耐磨合金非常重要。在工程领域,铁基耐磨合金(耐磨钢和耐磨铸铁)应用最广,包括各类工具钢、轴承钢、高锰钢、合金钢和耐磨铸铁,它们的含碳量都较高(0.8%以上),同时含有一定量能形成硬质碳化物的合金元素。耐磨有色合金中的钴镍基合金、轴瓦合金、硬质合金等,也是由在强韧或软质基体组织中嵌入较硬的岛状或颗粒状强化相所组成。

耐磨合金由传统的冶炼、铸(锻)造或粉末冶金等工艺制造,主要包括耐磨钢、耐磨铸铁、耐磨有色合金和硬质合金四大类。

最常生产和使用的有高锰钢、轴承钢、工具钢、耐磨铸钢以及耐磨合金钢等。耐磨钢的特点是:硬度较高而具有一定的耐磨性,同时还具备高的强度和韧性,适合制作在冲击负荷下工作的耐磨件。例如,多应用于凿岩、破碎机械的高锰钢又名哈德菲尔德(Hadfield)钢,1882年由英国人R.A.哈德菲尔德(Hadfield)发明,其铸态组织为奥氏体加碳化物,水韧处理后,成为单相奥氏体组织。该钢的主要特点是,在较大的冲击载荷和接触应力作用下,表面层迅速加工硬化使硬度急剧升高,在具有良好的耐磨粒或抗黏着磨损能力的同时,内部仍保持良好的韧性,能够承受冲击载荷而不断裂。在ZGMn13高锰钢(>1%C,11%~14%Mn)的基础上,还发展出高锰合金钢(ZGMn13Cr2MoRe)、超高锰合金钢(ZGMn18Cr2MoRe)等系列产品。高锰钢的优异特性使得其广泛应用于制造矿山、建材、冶金、电力、铁路等机械中的耐磨件。除了常用于滚动轴承的轴承钢(1.0%C,1.5%Cr)、大量用于机械加工领域的工具钢(包括高速钢、模具钢等)外,针对服役于磨粒磨损及黏着磨损工况的重型部件,发展出的含锰、硅、铬、钼、镍等元素的耐磨铸钢也具有独特优势。例如,高碳铬锰钼珠光体耐磨铸钢可用于有一定冲击载荷工况的球磨机磨球及衬板,较典型牌号ZG85Cr2MnMo。铸造石墨钢属超高碳共析钢,经过适当的热处理后,一部分碳以石墨的形式析出,因而具有铸钢和铸铁的综合性能,可用于制造冶金初轧或粗轧作业的轧辊,其少量的游离石墨可以提高轧辊的抗热裂和抗氧化皮黏附性。此外,还有按多元合金元素总质量分数分别为不超过5%、5%~10%、超过10%的低、中、高耐磨合金钢系列。其中,低合金钢的力学性能特别是硬度和韧性可以在很大的范围内调整,可根据不同的使用条件,将强度、冲击韧度和耐磨性能综合考虑和匹配,只要不因脆性而引起断裂,其耐磨性随硬度的提高而增强。特别值得指出的是,通常低合金耐磨钢以高强韧性著称,由于其强度和硬度高而在非大冲击载荷工况下可替代高锰钢,尤其是较好的韧性使其可用于一定冲击载荷工况,使用寿命和性价比相当具有优势。

具有高耐磨性和一定的强度、韧性,其组织具有均匀的高硬度,所适量加入的Cu、Cr、Mo、W、Ni、Mn等合金元素使其韧性增加而具有更优异抗磨损能力。耐磨铸铁在工程上通常分为耐磨白口铸铁和耐磨球墨铸铁两大类,还有通过激冷工艺使铸件具有激冷层的冷硬铸铁、含磷量0.3%~0.8%(质量分数)的高磷灰口铸铁、低合金稀土镁球墨铸铁等。耐磨铸铁也可根据应用工况分为两类,一类应用于无法施加润滑剂、多为磨料磨损条件下工作的部件,如轧辊、犁铧、磨球、衬板等。耐磨白口铸铁主要是在普通白口铁中加入一定量的镍4%~6%,铬2%~8%,根据合金元素的种类和添加量一般可分为镍硬白口铸铁、铬系白口铸铁,以及低合金铸铁等。白口铸铁中的碳化物硬度高,具有很强的抗磨粒擦划的能力。高铬白口铸铁是20世纪30年代在美国、英国首先研制成功的,是应用最好的耐磨材料之一,具有良好的抗磨料磨损能力,主要用于受低应力擦伤式磨损、高应力碾碎性磨损和某些冲击负荷较小的凿削式磨损的零件,已发展出高、中、低铬合金的抗磨铬铸铁系列。另一类应用于有润滑剂、易发生黏着磨损的条件下工作的部件,如机床导轨和拖板、发动机缸套和活塞、各种滑块等。这类耐磨铸铁的组织是软基体上分布有坚硬的相,软基体在磨损后形成的沟槽可保持油膜,有利于润滑,而坚硬相可承载和抗剪切。加入适量的合金元素的细片状珠光体基灰铸铁,含磷量0.4%~0.7%可形成Fe3P共晶坚硬骨架的高磷铸铁,以及磷铜钛铸铁、含高磷的铬钼铜铸铁等,均基本上能满足这样的要求。对于耐磨球墨铸铁,根据组织和元素可分为马氏体球墨铸铁、贝氏体球墨铸铁和中锰球墨铸铁以及奥贝球铁(ADI)系列等。球墨铸铁中的石墨是良好的润滑剂,能起到储油与润滑的作用。中国试制成功一种具有较好冲击韧性和强度的中锰球墨铸铁,即在铸铁中加入5%~9.5%的锰,含硅量控制在3.3%~5.0%范围内,经球化和孕育处理,适当控制冷却速度,使铸铁在浇铸后得到马氏体与大量残余奥氏体加碳化物与球状石墨组织,具有较高耐磨性。

较为重要的是钴基耐磨合金、镍基耐磨合金和铜基耐磨合金,例如著名的斯太立合金(Stellite alloy,含铬、钨的钴基合金)、Tribaloy合金(利用金属间化合物Laves相强化的低碳钴基、镍基合金),以及铍青铜和铝青铜等。钴基耐磨合金由高温合金发展而来,不仅具有优异的耐磨性,而且具有良好的耐机械冲击和热冲击性能。由于其出色的耐热性、抗高温氧化性、耐蚀性和高温硬度等,因此常被应用于苛刻环境中工作的耐磨件。Stellite 6是应用最广的钴基耐磨合金,适合于制造螺旋输送器、岩石粉碎机、压路机、轧钢设备、燃气轮机和直升机等设备中的耐磨件。镍基耐磨合金的主要合金元素是铬、钼、钨,还含有少量的铌、钽和铟,这些元素的加入对于提高其高温强度、红硬性、抗擦伤性和抗气蚀、抗冲蚀能力具有重要作用。除具有承受磨料磨损、黏着磨损及其他类型磨损的能力外,镍基耐磨合金还可经受介质腐蚀和高温氧化环境,多用于石油化工设备、原子能设备以及喷气飞机和内燃机中的阀门、泵件、活塞、活塞环、密封件、制动器、挺杆、轮叶及叶片等。钴基和镍基耐磨合金的焊接性能均较好,不仅可制造耐磨零部件,也可通过堆焊和喷涂工艺将其包覆在其他基体材料表面实现耐磨功能。以铜为基的耐磨合金,有青铜和黄铜两大类,主要用作齿轮、轴瓦、轴套等耐磨损件。其中,铍青铜(铍2%)是耐磨青铜中的最佳品种,可在高速、较高温度(约300℃)下作为轴承、精密齿轮材料;铝青铜则常用于制造巴氏合金的轴衬外套。发展耐磨黄铜的主要目的是寻求高于青铜强度的替代品,加入Sn、Al、Mn、Pb或Si等元素,可以在保持黄铜力学性能或工艺性能基本不变的条件下,形成锡(Al、Mn、Pb或Si)黄铜,这些添加元素在提高合金的抗腐蚀性和耐磨减摩性上有明显的作用。

以元素周期表中第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ族中过渡元素(W、Ti、Mo、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr等,多为难熔金属)的高硬度化合物(多为碳化物,也有氮化物、硼化物等)作为硬质相,以Co、Ni、Fe等铁族金属作为黏结相,通过在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金工艺方法制备的一类材料的总称。硬质合金具有很高的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性,被誉为“工业牙齿”,主要用于制造切削工具、刀具、钻具和耐磨零部件,广泛应用于军工、航天航空、机械加工、冶金、石油钻井、矿山工具、电子通信、建筑等领域。1923年由德国人K.史律特向碳化钨粉末中加入10%~20%的钴做黏结剂,发明了硬度仅次于金刚石的新材料,这是世界上人工制成的第一种硬质合金。然而,最初用这种材料制成的刀具切削钢材时,刀刃很快磨损甚至刃口崩裂。1929年美国的施瓦茨科夫在原有成分中加进了一定量的碳化钨和碳化钛的复式碳化物,改善了刀具切削钢材的性能,这是硬质合金发展史上的又一成就。到现在硬质合金已经发展成若干系列,主要包括碳化钨硬质合金、碳化钛硬质合金、钢结硬质合金、涂层硬质合金等,其中最具代表性的是WC-Co。中国常用的硬质合金牌号有“YG”(钨钴类)、“YT”(钨钛钴类)、“YW”(钨钛钽、钨钛铌类)等。硬质合金具有一系列的优良性能,如很高的硬度(包括高温硬度)和耐磨性,很高的弹性模量,很高的抗压强度,一定的耐热、耐腐蚀性能等,但是硬质合金的韧性较差,脆性较高,本身的可加工性能不佳。硬质合金的应用大体在以下几个方面:广泛用作刀具材料,如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等,用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材,也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料;用于冷变形加工的五金模具材料,如拉丝模具、螺栓模具、螺母模具、各种紧固件模具、冲压模具、金属磨具等;用来制作凿岩工具、采掘工具、钻探工具等;硬质合金还可用来制作测量量具、耐磨零件、汽缸衬里、精密轴承、喷嘴等。1969年瑞典研制成功超硬涂层刀具,在钨钛钴或钨钴硬质合金基材表面制备厚度几微米的碳化钛涂层,与同牌号刀具相比使用寿命延长3倍,切削速度提高25%~50%。已出现第四代硬质合金涂层工具,可用来切削很难加工的材料。

  • 谢友柏.摩擦学科学与工程前沿.北京:高等教育出版社,2005.
  • 姜晓霞,李诗卓,李曙.金属的腐蚀磨损.北京:化学工业出版社,2003.
  • 刘家浚.材料磨损原理及其耐磨性.北京:清华大学出版社,1993.

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