摩擦磨損是機(jī)械零件的主要失效形式之一，每年機(jī)械零件因磨損所造成的經(jīng)濟(jì)損失占國民生產(chǎn)總值得4%。在機(jī)械零件的摩擦磨損中，所處的工況不同，零件的磨損機(jī)理也不一樣。磨損類型一般有磨粒磨損、黏著磨損、沖蝕磨損、腐蝕磨損等。耐磨鋼目前還沒有系統(tǒng)的牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，不過根據(jù)不同的應(yīng)用工況，發(fā)展了一系列的耐磨材料，如奧氏體耐磨鋼、貝氏體耐磨鋼、馬氏體耐磨鋼、多相鋼、耐磨鑄鐵等。本文簡(jiǎn)要介紹耐磨機(jī)理、耐磨鋼種類；并對(duì)球狀共晶奧貝氏體多相鋼耐沖擊磨粒磨損性能進(jìn)行主要介紹。

    1、引言

    耐磨鋼是廣泛應(yīng)用的一類鋼種，100年多來，各類耐磨鋼層出不窮，在冶煉、熱處理工藝、化學(xué)成分以及機(jī)加工工藝等方面不斷進(jìn)行改進(jìn)，耐磨鋼的性能不斷提高，使用壽命得到了極大的提升。最近這二十到三十年間，國外把摩擦、潤滑還有磨損，構(gòu)成了一門獨(dú)立的學(xué)科叫做摩擦學(xué)。但從材料學(xué)科特別是從材料的工程應(yīng)用上來看，在研究的過程中人們更加重視材料的磨損。根據(jù)非完全的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)我們可以知道，世界能源的1/3-1/2消耗于摩擦，并且機(jī)械零件在工作的過程中失效的主要原因也是因?yàn)槟p。

    根據(jù)不同的工況和磨損機(jī)理，開發(fā)出了不同的耐磨鋼。例如在礦山、冶金、基礎(chǔ)建設(shè)等存在較大沖擊磨粒磨損的條件下，歷史悠久的高錳鋼得到了很好的應(yīng)用，主要因?yàn)槠湓谕饬Φ淖饔孟聤W氏體發(fā)生誘發(fā)馬氏體相變，發(fā)生加工硬化，從而保護(hù)基體，達(dá)到耐磨的效果；在低沖擊作用下，基體的硬度是決定耐磨性的主要原因，因此出現(xiàn)了低合金馬氏體耐磨鋼，此類鋼在淬火加低溫回火后得到具有高密度位錯(cuò)的板條馬氏體，在低沖擊的作用下能夠有效的阻止裂紋的萌生，達(dá)到抗磨損的效果，此外馬氏體組織具有高的硬度，耐磨性能良好；除了上述兩種鋼，還開發(fā)出了貝氏體鋼、準(zhǔn)貝氏體鋼、以貝氏體為基體的多相鋼，貝氏體組織具有良好的強(qiáng)韌性，硬度較馬氏體有一定的下降，不過韌性更好，能夠在中等沖擊力的作用下良好的工作。

    2、工況簡(jiǎn)介

    摩擦發(fā)生在大多數(shù)情況下，工件相互接觸，并發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者具有相互運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，就會(huì)存在摩擦的情況。除了摩擦存在，大多數(shù)時(shí)候在接觸面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中，表面材料不斷損失轉(zhuǎn)移，發(fā)生磨損現(xiàn)象，造成工件的失效。絕大部分的磨損是有害的，不僅浪費(fèi)材料浪費(fèi)能源，還直接影響機(jī)器的壽命和準(zhǔn)確性。不過有的時(shí)候，磨損是有益的，比如說研磨，使得表面粗糙度降低，使刀刃變得鋒利。

    在金屬材料的使用過程中，根據(jù)工作環(huán)境的不同，發(fā)生摩擦磨損的嚴(yán)重程度也不一樣。在有潤滑劑發(fā)生濕摩擦的情況下，工件表面的摩擦磨損狀況會(huì)降低，如大多數(shù)齒輪在工作過程中都會(huì)使用潤滑油；在沒有潤滑的條件下，工件相互之間發(fā)生干摩擦，表面的因此造成的失效會(huì)加速，此類摩擦是禁止的；在具有磨粒的環(huán)境中，不僅工件接觸面會(huì)發(fā)生摩擦磨損，磨粒的存在會(huì)加速摩擦磨損，例如在潤滑的過程中，塵土或者磨屑進(jìn)入潤滑油中，就會(huì)加速表面的失效，造成例如犁溝、剝落等現(xiàn)象；在有磨粒有沖擊的情況下，摩擦磨損會(huì)更嚴(yán)重，比如說礦山、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)境下，除了存在磨粒以外，還存在很大的沖擊力，磨粒破碎嵌入工件表面，加速了失效；除此之外，有的工件是在具有腐蝕的條件下工作的，除了要求具有耐磨性以外，還要求具有耐腐蝕性，不然腐蝕會(huì)加速磨損，磨損又促進(jìn)腐蝕，這樣循環(huán)導(dǎo)致工件的失效。

    3、磨損模型

    金屬材料的摩擦磨損發(fā)生在很多工況下，摩擦副的材料不同、工況條件不同，對(duì)應(yīng)的磨損機(jī)理也就不同。眾所周知的磨損機(jī)理又黏著磨損、磨料磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損、沖蝕磨損、微動(dòng)磨損、沖擊磨損等。[4]對(duì)于金屬工件來說，往往幾種磨損會(huì)同時(shí)發(fā)生，單一磨損的情況較少。

    3.1黏著磨損

    黏著磨損是指在工件與工件的接觸面產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，由于固相焊合的作用產(chǎn)生黏著點(diǎn)，改點(diǎn)在剪切力的作用下，脫離材料基體，從一個(gè)面轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)面，從而導(dǎo)致工件的磨損。最常見的是基體上較軟的組織，在摩擦過程中，粘附在其他工件上，從基體上剝落，產(chǎn)生剝落坑。黏著磨損的機(jī)理如圖1所示。

    3.2磨料磨損

    磨料磨損是指外界的硬顆粒在磨擦磨損的過程中使得工件表面材料脫落的現(xiàn)象。還有一種情況就是對(duì)磨工件表面有硬的凸起的顆粒，在摩擦磨損的過程中，同樣可以起到磨料的作用，致使表面剝落。磨料磨損又可以分為兩體和三體磨料磨損，兩體磨損是指磨料沿一個(gè)工件表面運(yùn)動(dòng)，通常磨料與表面的接觸應(yīng)力較低，固體表面產(chǎn)生擦傷或微小的犁溝痕跡；三體磨損是指外界磨粒在兩個(gè)磨面之間移動(dòng)，和研磨的作用差不多。通常三體磨損中磨粒與接觸表面會(huì)產(chǎn)生極大的應(yīng)力，從而使得表面發(fā)生變形或者疲勞，脆性表面會(huì)產(chǎn)生脆裂或者剝落。挖掘機(jī)鏟齒、球磨機(jī)襯板是典型的磨料磨損。

    3.3腐蝕及疲勞磨損

    腐蝕磨損是指工件在工作中與所處的環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或者發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)形成腐蝕產(chǎn)物，比如鐵表面與空氣中的氧氣反應(yīng)生成鐵的氧化物，這些氧化物與表面的結(jié)合力較弱，容易從工件表面脫落引起磨損。腐蝕磨損中較為常見的是氧化磨損，此外在特殊的工作環(huán)境中，工件會(huì)因特殊的腐蝕氣氛而產(chǎn)生特殊介質(zhì)腐蝕。

    疲勞磨損較常出現(xiàn)在滾動(dòng)或者滾動(dòng)兼滑動(dòng)的摩擦表面，工件在交變應(yīng)力的作用下，使得表面較軟區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)應(yīng)力超過材料的拉伸強(qiáng)度，就會(huì)在薄弱的地方產(chǎn)生裂紋，裂紋在應(yīng)力的作用下會(huì)不斷擴(kuò)展，裂紋長度達(dá)到一定值后就會(huì)引起斷裂，造成點(diǎn)蝕剝落的現(xiàn)象，大致流程如圖2所示。

    除了以上幾種磨損以外，還有沖蝕磨損、微動(dòng)磨損和沖擊磨損。沖蝕磨損是指流體或者包含有微顆粒的流體以一定的速度和角度對(duì)材料表面沖擊所造成的磨損，較為常見的是在鑄造過程中，熔融金屬液對(duì)磨具 表面的沖蝕磨損；微動(dòng)磨損是指兩個(gè)相互接觸的承載工件，其接觸表面雖然沒有宏觀的相對(duì)位移，但卻能產(chǎn)生在外部變動(dòng)載荷和振動(dòng)下產(chǎn)生微小的滑動(dòng)，接觸表面會(huì)在這種微小的滑動(dòng)過程中產(chǎn)生磨損。沖擊磨損多指磨粒以高的速度撞擊表面，對(duì)工件表面產(chǎn)生磨損，在這種情況下，工件表面不僅會(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)力，還會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力，在多重應(yīng)力的作用下，加速了表面的磨損。

    4、耐磨鋼種類

    耐磨鋼經(jīng)過不斷的發(fā)展，耐磨鋼的種類日趨增加，應(yīng)用的范圍也越來越廣泛。例如許振明等人研發(fā)出球狀共晶奧貝氏體耐磨鋼，在中低沖擊作用下具有很好的耐磨性；康沫狂教授提出了準(zhǔn)貝氏體的概念，國內(nèi)外許多學(xué)者在此基礎(chǔ)上對(duì)其性能進(jìn)行了大量的研究，并發(fā)展成了準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼。下面簡(jiǎn)要介紹國內(nèi)外出現(xiàn)的一些耐磨鋼種。

    4.1高錳鑄鋼

    高錳鋼作為耐磨鋼的運(yùn)用歷史悠久，其主要運(yùn)用在具有較大沖擊力作用的環(huán)境下，奧氏體基體在沖擊力的作用下發(fā)生加工硬化，產(chǎn)生應(yīng)力誘變馬氏體，從而達(dá)到耐磨的效果。目前使用的高錳鋼化學(xué)成分大致為：C：0.9—1.5%、Mn：10—15%、Si:0.3—1.0%、S:≤0.05%、P：≤0.10%。高錳鋼加工非常困難，通常是通過鑄造成工件來使用。Mn是奧氏體化元素，擴(kuò)大奧氏體區(qū)，經(jīng)過水韌處理使得此類鋼在常溫下得到單一奧氏體組織。由于傳統(tǒng)高錳鋼只適用于存在高沖擊的工況下，而且其表層硬化層容易破碎，頻繁更換增加了經(jīng)濟(jì)成本，因此在傳統(tǒng)高錳鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展了一系列耐磨鋼。在高錳鋼中加入稀土元素以及強(qiáng)碳化物形成元素，細(xì)化了奧氏體晶粒，并且使碳化物彌散分布，提高了其耐磨性；在一定的范圍內(nèi)，提高碳含量，從而提高基體硬度，提高其耐磨性；降低錳含量，降低過冷奧氏體的穩(wěn)定性，提高M(jìn)s點(diǎn)，促進(jìn)奧氏體的加工硬化，從而提高耐磨性；提高錳含量，同時(shí)加入一定量的合金元素，提高奧氏體組織的韌性，增強(qiáng)其拉伸強(qiáng)度，在沖擊磨粒磨損的過程中，裂紋擴(kuò)展困難，剝落過程減緩，從而提高耐磨性。

    4.2貝氏體、馬氏體耐磨鋼

    眾所周知，下貝氏體組織具有高的強(qiáng)韌性和良好的耐磨性，在此基礎(chǔ)上發(fā)展出來的貝氏體耐磨鋼被廣泛應(yīng)用。在貝氏體鋼中，較早出現(xiàn)的是低碳貝氏體鋼，而后出現(xiàn)了中高碳貝氏體，其碳含量為0.45%-0.65%,直接空冷得到，工藝簡(jiǎn)單成本低，并且具有良好的耐磨性；除此之外，還有貝氏體球磨鑄鐵，其碳含量為3.5-3.9%，王振國等人研究得出在空冷條件下得到的高碳貝氏體球磨鑄鐵制作的磨球與中錳球鐵與高鉻鑄鐵所制作的磨球性能更好。在貝氏體鋼的基礎(chǔ)上，陸續(xù)又有一些新的鋼種被研發(fā)出來，比如康沫狂教授經(jīng)過多年的研究，研發(fā)出了準(zhǔn)貝氏體鋼，其組織是貝氏體、鐵素體以及殘余奧氏體，準(zhǔn)貝氏體鋼具有良好的耐磨性以及焊接性能；許振明等人研究的ABEN鋼，即球狀共晶奧貝氏體鋼，這個(gè)鋼在沖擊磨粒磨損的條件下表現(xiàn)出良好的耐磨性能；馬氏體具有高的硬度，在低沖擊作用下具有好的耐磨性，貝氏體馬氏體雙相鋼彌補(bǔ)了單一馬氏體鋼韌性較差的缺點(diǎn)同時(shí)又提高了貝氏體鋼的硬度，增強(qiáng)了耐磨性；貝氏體、馬氏體、殘余奧氏體三相復(fù)合鋼較傳統(tǒng)高錳鋼在高沖擊的作用下性能更加優(yōu)異，貝氏體結(jié)合馬氏體的基體具有良好的強(qiáng)韌性，在沖擊力的作用下，殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，吸收能量，提高耐磨性；除此之外還有奧氏體貝氏體雙相耐磨鋼等。

    除了以上提到的兩大類耐磨鋼，還有馬氏體耐磨鋼。馬氏體是在奧氏體急速冷卻的過程中得到的過飽和α-Fe組織，馬氏體中含有的高密度位錯(cuò)以及細(xì)小的晶粒度，都決定了其具有良好的耐磨性。馬氏體耐磨鋼常見的組織是回火馬氏體，其硬度很高，抗切削耐磨性能好，在馬氏體范圍內(nèi)，其硬度值與其耐磨性成正比關(guān)系，在低沖擊力的環(huán)境下能夠較好服役，不過在高沖擊力的環(huán)境下，其性能遜與奧氏體組織，主要是由于其韌性不足，容易開裂，在此中工況下，一般不會(huì)單獨(dú)使用馬氏體組織。在馬氏體耐磨鋼的研究中，國外學(xué)者提出了一種Q-P-T熱處理工藝，通過在Ms和Mf之間進(jìn)行等溫處理，形成馬氏體加富碳奧氏體組織，提高了耐磨性。王佳等人通過對(duì)比得出結(jié)論，經(jīng)Q-P-T熱處理的20Si2Ni3鋼在保持高硬度的同時(shí)，具有良好的韌性，在耐沖擊磨粒磨損方面的性能有所提升。

    目前來說，國際上發(fā)展比較成熟的耐磨鋼有德國蒂森克虜伯的XAR400，XAR450，XAR500；瑞典鋼鐵旗下的奧克德隆公司生產(chǎn)的HARDOX系列鋼板，其中HARDOX600是目前世界上最硬的耐磨鋼板，HARDOX系列耐磨鋼不僅具有良好的耐磨性，并且具有良好的焊接性；除此之外，日本生產(chǎn)的JFE，EH360，EH400，EH500都是性能優(yōu)良的耐磨鋼。國內(nèi)多家鋼廠均生產(chǎn)耐磨鋼，如舞鋼、寶鋼、武鋼等企業(yè)，生產(chǎn)的部分耐磨鋼板達(dá)到國際先進(jìn)水平，出口多個(gè)國家。

    5、結(jié)語

    通過文獻(xiàn)資料的查閱，對(duì)國內(nèi)外一些主要的耐磨鋼有個(gè)大致的了解，同時(shí)對(duì)于摩擦磨損的機(jī)理有更深入的認(rèn)識(shí)。目前我國生產(chǎn)的耐磨鋼整體水平處于世界的中上游，但一些高端耐磨鋼仍需要從國外進(jìn)口。在未來的發(fā)展中，相信我國的科技人才會(huì)以市場(chǎng)為導(dǎo)向，在基礎(chǔ)研究和新技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)出一系列的高性能耐磨鋼，擺脫高端鋼材進(jìn)口的現(xiàn)狀。

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內(nèi)外最新動(dòng)態(tài)，我們網(wǎng)站會(huì)不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org

責(zé)任編輯：龐雪潔

《中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事

投稿聯(lián)系：編輯部

電話：010-62313558-806

郵箱：fsfhzy666@163.com

中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414