常用耐磨材料及表面耐磨保护方法简介

常用耐磨材料及表面耐磨保护方法简介唐琳琳;王盟【摘要】综述了目前工业生产中常用的铸石、高分子材料、高铬铸铁、锰钢合金、氧化铝陶瓷、耐磨碳化硅材料、氧化锆陶瓷、耐磨硬复合物、聚脲弹性体材料、耐磨橡胶、玻璃钢夹砂材料的性能及应用领域,介绍了几种表面增强材料的表面改性方法及其优缺点.【期刊名称】《煤炭加工与综合利用》【年(卷),期】2011(000)003【总页数】4页(P52-55)【关键词】耐磨材料;表面改性技术;耐磨性【作者】唐琳琳;王盟【作者单位】山东博润工业技术有限公司,山东淄博,255000;山东博润工业技术有限公司,山东淄博,255000【正文语种】中文【中图分类】TB37现代工业的快速发展，使得生产中对机械产品的性能要求越来越严格，要使设备在高温、高压、高速等恶劣工况条件下长期稳定运转，必然对其表面强度、耐磨性、耐蚀性等提出更高的要求。

煤炭、建材、工程机械、火力发电、矿山冶金等工业领域设备作业环境恶劣，磨损问题是阻碍生产、造成材料浪费和能源消耗的重要原因。

不断研究开发新的耐磨材料和表面技术，同时研究解决目前磨损工业中不断出现的问题，是适应工业发展，提高企业效益的重要手段。

1 常用耐磨材料随着国民经济不断发展和节约能源以及环保的要求，耐磨材料行业在发展为一个独立行业的同时，对其数量和品种的需求也在不断扩大，只要有原材料基础工业的发展，就需要用耐磨材料制备零部件。

我国耐磨材料已经有相当长的发展历史，根据目前的使用状况，主要有以下几种。

1.1 铸石铸石是一种无机非金属材料，具有优良的耐磨、耐腐蚀性能，化学成分相对稳定，其抗弯强度600 MPa，弯曲强度65 MPa，体积密度2.9～3.0 g/m3；在冶金、火电、矿山、化工等行业都得到广泛应用。

铸石比合金钢坚韧耐磨，使用寿命是碳钢的15倍，用得越久摩擦力越小，同时具有很高的耐蚀性能。

铸石是一种开发比较早的耐磨材料，其价格较低，在当今耐磨材料市场中仍占有一席之地。

但是铸石密度高，脆性大，不耐冲击，易破碎，生产工艺复杂，安装维修不方便[1]。

1.2 高分子材料利用高分子材料制备的耐磨衬板包括高分子聚乙烯衬板、聚安脂衬板、含油尼龙衬板、稀土尼龙衬板和A3衬板等。

高分子材料的抗拉强度为98～107 MPa，弯曲强度152～176 MPa，体积密度1.16～1.18 g/m3，摩擦系数0.4～0.6。

高分子材料质量轻、容易加工，并具有一定的强度、韧性，可以承受外部压力，并能适应环境温度的变化。

与铸石、碳化硅等耐磨材料的抗磨损机理不同，高分子材料硬度低，主要利用自身滑动摩擦系数低、自润滑性能强来减少与矿粒的摩擦阻力，以抵抗磨损。

但是这种材料对大块、锐角明显的块煤的抗冲击划伤能力差，且不耐高温，使用温度不能超过100 ℃，不可动火割焊，工矿使用条件限制较多，一次性投资大，连接方式大多采用法兰连接，法兰数量多，很大程度上限制了其应用范围。

1.3 高铬铸铁高铬铸铁是备受重视的一种抗磨材料，是目前国内外使用最广泛的耐磨材料之一。

高铬铸铁韧性和耐磨性较高，碳化物以(Fe，Cr)7C3型出现，显微硬度可达HV1 300～1 800。

M7C3碳化物成显微杆状，横向切断可发现这种碳化物以六方晶体生长。

高铬铸铁多应用于铸造冶金、矿山、水泥等的耐磨零部件，例如轧辊、磨环、辊套、立磨磨辊、球磨机磨球及衬板、板锤、布料溜槽等。

目前高铬铸铁主要是以铸造的方法制得，碳和铬含量较低。

铸造所制得的是亚共晶或共晶组织，组织中碳化物含量较低，抵抗低应力矿粒磨损的性能不如过共晶组织。

若想制得过共晶组织，就要提高碳含量，但是碳含量超过3%的高铬铸铁高温浇注时，若补充不充分，会出现大量肉眼就能看到的针状晶体，晶体之间有显微空隙。

这些部分磨损后容易从本体脱落，造成磨损加剧。

另外，高铬铸铁在铸造过程中会产生很大的铸造应力，在厚大铸件中会产生热应力，导致铸件变形或开裂。

所以铸造方法很难获得超高碳、高铬含量的耐磨合金材料。

利用堆焊方法制备超高碳、高铬耐磨材料，既可保证堆焊金属与母材的结合性，使堆焊合金不脱落、不剥落，又可适当增加合金含量，得到的过共晶组织中有大量的初生碳化物硬质耐磨相，能够起到骨干抗磨作用。

1.4 锰钢合金锰钢合金是在高碳、高锰钢中复合添加稀土钼或钒、钛等合金材料，通过弥散处理，使奥氏体基体中弥散分布着球形第二相耐磨质点。

其生产工艺简单、成本较低、材料来源丰富，是制造冶金、矿山、建筑、建材机械等设备耐磨零件的优良材料。

锰钢合金广泛应用于具有冲击磨损的工矿条件，对于粒度大、硬度高的磨料，使用高锰钢作为耐磨材料，可起到良好的抗磨作用；当磨料硬度较低时，可在高锰钢中加入Cr、V、Ti等合金制成合金高锰钢，耐磨效果良好。

1.5 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷的制备是在粒度小于100目的Al2O3中，添加多种耐磨材料，将混合料在100 t压机或等静压条件下压制成型，经1 700 ℃高温烧结而成。

氧化铝陶瓷具有密度大、硬度高、耐磨损等特点，其耐磨性是锰钢的10倍，高铬铸铁的8倍；其密度不小于3.6 g/cm3，莫氏硬度不小于9，抗弯强度不小于290 MPa。

氧化铝耐磨陶瓷材料广泛应用于火电厂磨煤及除灰系统，钢铁烧结厂的除尘管道和混合料仓，水泥厂的选粉机、溜槽、风机，港口码头的卸船机、装船机、料斗等多种工业设备中。

1.6 耐磨碳化硅材料耐磨碳化硅也是一种重要的工业抗磨材料，其制作工艺与氧化铝相似，工业生产中常用的砂磨片就是用碳化硅制得的。

碳化硅的抗磨损性能优良，在骤冷骤热等环境条件下其抗磨性强于氧化铝，目前碳化硅多应用于耐火材料领域，如用作高温窑炉的内衬耐火砖、烧板等。

1.7 氧化锆陶瓷氧化锆是近几年发展比较快的陶瓷材料，其抗弯强度不小于750 MPa，莫氏硬度8.5，具有密度大、硬度高等特点。

氧化锆已广泛应用于石油泵套、汽缸内衬、喷嘴等高温耐磨部位，应用前景较好。

但制备氧化锆的原料非常昂贵，很大程度上限制了其推广应用。

1.8 耐磨硬复合物耐磨硬复合物是利用凝胶复合材料开发生产的一种新型耐磨耐蚀涂层材料，它以凝胶材料聚合物为基体，掺入硬质物质、耐磨耐蚀颗粒骨料、超细粉以及增韧金属纤维后，混合均匀，使用时直接与相应溶剂混合即可。

这种材料与钢铁、陶瓷、水泥等均有较强的粘接性，能够耐冲刷、耐腐蚀，并且施工简便。

1.9 聚脲弹性体材料喷涂聚脲弹性体技术(SPUA)是美国Texaco化学公司于1991年开发的，主要性能特点是不含催化剂，可在任意曲面、斜面及垂直面上喷涂成型，不产生流挂现象，5 s左右可凝结，1 min即可达到步行强度。

具有非常优异的柔韧性、耐磨性、高粘结性及本体拉伸强度等物理力学性能。

对钢材、铝、混凝土、沥青等底材有着非常良好的粘结强度，自身的耐老化性能也十分突出。

在-25～150 ℃温度范围内具有良好的热稳定性能，可以长期使用。

1.10 耐磨橡胶耐磨橡胶以天然橡胶、丁苯橡胶和顺丁橡胶为胶料，并选用适宜的活化剂、促进剂、软化剂、老化剂、硫化剂、增塑剂、补强剂和补强填充剂为配合剂，按合理的配方和加料顺序、工艺过程制造出物理性能高的橡胶衬板，用来代替传统的金属衬板。

这种材料耐磨性高，寿命长，成本低，维护方便，可降低粉尘和噪音对环境的污染，并减轻设备安装体自身的负荷，与金属衬板相比效益明显。

1.11 玻璃钢夹砂材料利用玻璃钢夹砂材料制备的耐磨管道耐磨性好，把含有大量泥浆、砂石的水装入不同管道中进行旋转磨损对比试验。

经300万次旋转后，不同管道内壁的磨损程度为：用焦油和瓷釉作涂层的钢管磨损深度0.53 mm；用环氧树脂和焦油作涂层的钢管磨损深度0.52 mm；经表面硬化处理的钢管磨损深度0.48 mm，玻璃钢管磨损深度0.21 mm。

由此说明玻璃钢材料耐磨性良好。

而且玻璃钢夹砂管道密度低，是钢管的1/4，水泥管的1/10，所以，用于装卸、运输的费用较低，投资省、寿命长，使用寿命长达50 a以上。

2 常用表面耐磨保护技术各种机械部件在使用过程中往往从表面发生破坏，若表面磨损后便更换部件，不但造成材料的大量浪费，而且反复更换增加工人劳动强度，影响企业正常生产。

采用表面改性技术增强材料表面耐磨性是解决上述问题的重要措施。

目前国内外常用的增强材料表面耐磨性的技术主要有堆焊、钨极氩弧熔覆、激光熔覆、激光重熔、等离子重熔、等离子熔覆、热喷涂等。

堆焊是指将具有一定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔敷在母体材料表面，以赋予母体材料特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。

国内堆焊技术起源于20世纪50年代末，包括等离子弧堆焊、电子束堆焊、激光堆焊以及聚焦光束堆焊等技术[2]。

钨极氩弧熔覆是利用氩弧将合金焊丝或合金粉末熔入基体表面，然后用氩弧令其熔化，获得所需熔深和成分均匀的熔区，以达到强化基体的目的[3]。

合金化工艺主要包括合金焊丝氩弧直接熔入法、预涂合金粉末氩弧直接熔入法和合金元素间接熔入法三种。

采用高能热源对表面进行强化，目前国内应用较多的是激光，其次还有等离子和电子束，聚焦光束也被用作表面强化的能源。

这些能源的特点是能量密度较高，被强化表面质量好，但通常产生的表面强化层较浅，且设备昂贵，操作复杂。

在碳钢表面利用乌极氩弧熔覆含有多种合金元素的自熔性合金如Ni基、Co基、Fe基合金，能够获得比碳钢表面硬度更高、耐磨性能更好的熔覆强化层。

国外研究中多用于在钛合金或不锈钢表面制备增强、耐腐蚀涂层[4-5]。

激光熔覆技术的研究开始于20世纪70年代，是指用一定功率的激光扫描工件表面涂覆材料，使其熔化形成结合层。

该工艺可获得较厚的涂覆层，易实现选区熔覆，且热变形小，覆层成分及稀释率可控，在经济上和覆层质量上都优于传统的堆焊和热喷涂工艺。

但激光熔覆技术所用设备昂贵，投资较高；焊接前的准备工作量大，工艺条件复杂；对工件和工艺要求高，成本高；不易在施工现场施焊，对生产环境要求高[6]。

国内外已在低碳钢、不锈钢、可锻铸铁、灰铸铁、铝合金及特殊合金上用钴基、镍基、铁基等自熔性合金粉末和陶瓷层相进行了激光熔覆技术的研究。

等离子熔覆是一种新兴的表面改性技术，在等离子束作用下，在合金基体上添加与其成分不同的粉末，经等离子束辐射，添加材料和基体表面极薄层同时熔化，快速凝固后，在基体表面形成冶金结合的功能涂层。

与激光束相比，等离子体束可在常压下产生，无需真空系统，用于金属表面处理(表面淬火、表面合金化、表面熔覆)，无需任何准备工作，工艺过程简单，技术更容易实现工业化。

但其缺点是设备成本高，噪音大，紫外线强，产生臭氧污染，不符合可持续发展的先进加工技术的要求。

热喷涂技术是将涂层材料(粉末或丝材)送入某种热源(电弧、燃烧火焰、等离子体等)中熔化，并利用高速气流将其喷射到基体材料表面形成涂层的工艺方法，在航空航天、机械制造、石油化工等领域得到了广泛的应用。