刁曉剛，李 衛(wèi)，王春民，沈 闖，張志勇，姬建鋼

1中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

2暨南大學先進耐磨蝕及功能材料研究院 廣東廣州 510632

隨 著科技及工業(yè)的快速發(fā)展，大型機械設備零部件磨損速率顯著增加，嚴重影響了磨礦效率[1]。據(jù)統(tǒng)計，全世界 1/3 能源消耗于摩擦磨損，80% 零件因磨損而失效。磨粒磨損作為最為普遍的磨損失效形式，占比高達 50%[2]。礦山行業(yè)屬于耐磨件高消耗行業(yè)，伴隨著礦山企業(yè)規(guī)模不斷擴大、礦石品位逐年降低，破碎、粉磨設備的生產能力成為提高產能的關鍵因素，物料粉碎過程中能量消耗和鋼材消耗等問題也變得更加突出[3]。

1 選材原則

目前市場上耐磨材料種類繁多，且各有其優(yōu)越性和局限性，需要根據(jù)實際工況合理選材，充分發(fā)揮材料特性，才能提高耐磨件使用壽命。對于礦山設備，耐磨材料選擇一般遵循如下原則。

1.1 工藝流程

因地理位置及巖石成形機理不同，礦物的組成成分之間機械性能亦不同，使得礦石的破碎研磨難易程度存在差異性[4]。受礦山規(guī)模、采礦方式及投資運營成本等因素影響，碎磨工藝流程呈現(xiàn)多樣化[5]。選礦廠往往根據(jù)自身特點進行工藝流程的設計與選擇，工藝流程分布不同，同時存在干、濕磨礦的生產方式，需要根據(jù)具體工況條件選用不同的耐磨材料。

1.2 碎磨設備

礦石碎磨過程主要包括破碎作業(yè)和磨礦作業(yè)。破碎設備是破碎作業(yè)穩(wěn)定運行的關鍵，主要包括圓錐破碎機、鄂式破碎機、旋回破碎機以及高壓輥磨機、盤旋式破碎機等[6-8]。破碎作業(yè)處于碎磨工藝流程中上游環(huán)節(jié)，主要作用是破碎開采的大塊礦石，為磨礦作業(yè)提供符合粒度要求的物料。因此，破碎機襯板承受強烈沖擊和高接觸應力，需要外硬內韌的耐磨材料以抵抗強沖擊和強大壓力。

磨礦設備主要有半自磨機、自磨機、球磨機和攪拌磨機等[9]。自磨機、半自磨機與球磨機的工作原理基本相同，只是自磨機以物料本身作為磨礦介質，以此達到礦石粉碎的效果。自磨機襯板遭受大塊物料的研磨和較小的沖擊，高硬度、高耐磨性且保持一定韌性的耐磨材料是不錯的選擇，高鉻鑄鐵材質襯板現(xiàn)已嘗試在大型自磨機上進行應用。半自磨機以一定比例的磨料作為磨礦介質，利用磨料、物料以及襯板間的碰撞、沖擊和摩擦，形成有效粉碎[10]。半自磨機襯板遭受磨料、物料強烈的沖擊和研磨，并以沖擊磨損最為嚴重。因此，材料選擇更關注材料的強韌性、硬韌性，以此保證磨機運行中襯板的安全可靠性和使用壽命，防止襯板發(fā)生早期斷裂，一般可選用高韌性低合金鋼、新型高錳鋼以及復合材料。球磨機磨球規(guī)格小，物料填充率高，磨體被提升后對襯板沖擊作用弱，襯板以研磨為主，宜選用高硬度、耐磨性好，并兼顧一定韌性的材料，如馬氏體耐磨鋼、高鉻鑄鐵或復合材料等。攪拌磨作為細磨和超細磨設備[11]，它是利用內部攪拌器帶動磨礦介質旋轉，實現(xiàn)有效粉碎物料以及對復雜礦物進行有效篩選的目的。攪拌磨基本的磨碎作用是磨剝而不是沖擊作用，襯板在磨介及物料作用下，表面受到高應力的研磨，耐磨材料一般選用鉻系抗磨白口鐵。

隨著磨礦技術、磨礦工藝的發(fā)展，碎磨設備的規(guī)格越來越大，可處理物料的塊度增大，設備比破碎率增加，處理能力增強[12]，因而碎磨設備用耐磨襯板幾何形狀變大，截面增厚，質量增加，承受相當強烈的碰撞、擠壓、沖擊和摩擦，對耐磨材料的韌性、強度、淬透性等性能提出了更高的要求。

1.3 磨損規(guī)律

磨損即為相互接觸的物體，因相對運動而造成表面材料的丟失或轉移。根據(jù)磨損產生的機制，一般將磨損分為黏著磨損、表面疲勞磨損、磨料磨損和化學磨損 4 種類型[13-14]。其中磨料磨損最為嚴重，尤其在濕態(tài)工況條件下，因存在腐蝕介質，同種材料的磨損率是干態(tài)下的數(shù)倍 (酸性介質中尤其嚴重)[15]。因此，襯板材料應具備較高的硬度和屈服強度，以抵抗磨粒磨損的同時抑制腐蝕對磨損的加速作用。

因礦石屬性的差異、碎磨工藝流程的多樣化以及碎磨設備工作原理的不同，襯板的磨損規(guī)律也不盡相同。即使在相同工況條件下，同一破磨設備內不同部位的磨損程度也不相同，存在高磨損區(qū)域、高沖擊區(qū)域以及低磨損、低沖擊區(qū)域。在高沖擊區(qū)，強韌性良好的合金鋼是不錯的選擇；在高磨損區(qū)，可選用馬氏體耐磨鋼、貝氏體鋼等耐磨材料；在低磨損、低沖擊區(qū)，一般選用橡膠或鋼-橡膠復合材料，起到研磨作用又有減重效果。因此，只有掌握磨損類型及磨損規(guī)律，才能進行差異化選材，實現(xiàn)襯板更換，節(jié)省成本，提高磨礦效率。

1.4 襯板結構

襯板結構設計是磨機性能的關鍵因素，決定物料在磨機內的拋落軌跡，影響磨礦效果。

襯板結構形式多樣，大體可分為平滑襯板和不平滑襯板[16]。平滑襯板提升作用小，磨料滾動和滑動作用強，磨削作用強，多用于細磨；不平滑襯板提升作用大，減少了磨料的滑動，加劇磨料對物料的沖擊作用，有利于碎礦，多用于粗磨[17-18]?，F(xiàn)代磨礦設備多采用非平滑型襯板，主要包括波形襯板、壓條襯板、L 形和梯形等凸棱襯板。波形襯板多用于球磨機，屬于較簡單的不平滑襯板，一定厚度的波峰可提升磨料高度，以撞擊底部物料，同時其表面呈圓弧形，磨料對物料產生滑動磨削，兼顧粗磨與細磨效果[19]，因此，結合磨機規(guī)格，波形襯板材料可選用硬度、耐磨性優(yōu)異的馬氏體組織合金鋼、高鉻鑄鐵以及復合材料等。凸棱結構襯板多用于自磨機、半自磨機，襯板提升作用強，高能量多頻次碰撞，沖擊破碎粗磨效果明顯，尤其在大型磨機中表現(xiàn)尤為突出，宜采用高韌性、高硬度的合金鋼、改性高錳鋼、貝氏體鋼或耐磨鋼鐵復合材料。襯板結構設計需考慮工藝性要求，這樣能夠最大限度發(fā)揮材料特性，滿足生產制造和使用性能要求。

1.5 材料性能

在濕磨工況下，礦漿一般偏酸性或呈中性，礦石硬度高，隨著礦用磨機規(guī)格逐漸增大，磨料等研磨介質直徑變大，耐磨襯板在服役過程中承受劇烈的沖擊和磨料磨損，使用中后期磨損加劇，甚至發(fā)生斷裂失效，其安全可靠性變得尤為重要。因此，設計大型耐磨襯板材料時應考慮以下性能指標[20-21]。

(1)高淬透性、高淬硬性 粉磨設備大型化，耐磨襯板截面變得愈加厚大，高淬透型和淬硬性能夠保證耐磨件淬硬層深度，保證材料在大尺寸范圍內組織和性能的均勻性。

(2)良好的綜合力學性能 良好的塑韌性能夠較好吸收強沖擊工況下的沖擊能量，有效阻止裂紋的萌生和擴展，有助于抵抗斷裂失效和剝落磨損；較高的硬度能夠抵抗高硬度礦石切削磨損；較高的屈服強度能夠防止大載荷沖擊工況下材料的宏觀塑性變形。

(3)高耐蝕性 高耐蝕性保證處于腐蝕介質中的磨機襯板能夠抵抗腐蝕，利于提高襯板耐磨性。

(4)高耐磨蝕性 在濕磨條件下，腐蝕與磨損并非簡單的疊加，其交互加速作用促使襯板的快速失效，高耐磨蝕性是濕磨工況下耐磨襯板重要的技術指標。

因此，耐磨襯板不能單一追求某一種材料特性，耐磨材料應具有較好的綜合力學性能，高淬透性、淬硬性、高耐蝕性和高耐磨蝕性。

1.6 生產成本

耐磨鑄件在服役環(huán)境中，在滿足安全可靠性能的前提下，所選耐磨材料的合金化元素應盡量選用富有的、價格低廉的鐵合金進行合金化，并實施與之相適宜的制造工藝。這樣不僅可以降低生產成本，而且合理利用了現(xiàn)有資源，同時可以保證產品具有較高的使用壽命。這種性價比高的耐磨產品，最能獲得客戶的青睞，提高經濟效益和社會效益。

2 應用現(xiàn)狀

國內外科技工作者對耐磨材料進行了廣泛而深入的研究，國際間科技交流與合作極大地推動了耐磨材料及耐磨鑄件產業(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合材料 5 大類[22]。

2.1 高錳鋼

在實踐中研究者發(fā)現(xiàn)，高錳鋼在靜載磨損和低能量沖擊磨損下，會出現(xiàn)由于加工硬化不足而導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；同時針對厚大斷面鑄件，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)[23]。改性高錳鋼是以常規(guī)高錳鋼為基礎，添加適量鉻、鉬、鈦、釩、鈮等元素，通過變質處理獲得彌散分布的碳化物，以此提高鑄件力學性能和耐磨性。中錳鋼是在常規(guī)高錳鋼基礎上通過調整 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。

強沖擊載荷工況下，高錳鋼加工硬化能力增強，鑄件表面獲得較高硬度和耐磨性，同時具有良好的韌性，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度及耐磨性，在礦山破碎機上獲得廣泛應用[24-25]。

在磨礦設備中，高錳鋼最早應用于小型球磨機襯板，使用效果較好。隨著高錳鋼材料以及磨機大型化快速發(fā)展，改性高錳鋼、中錳鋼逐漸在大型球磨機、半自磨機襯板中展開應用。但因實際工況、磨機規(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，但其屈服強度相對較低，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，嚴重時甚至引起磨機筒體變形，引發(fā)安全事故。

2.2 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[26]。

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度、硬度和韌性，硬韌性匹配性良好，應用前景廣闊。近年來，水泥廠和火電廠球磨機襯板，特別是冶金礦山設備大型自磨機、半自磨機以及球磨機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，可經得起反復沖擊，尺寸穩(wěn)定性好，不易變形，拆卸方便。自 2003 年至今，以中信重工機械股份有限公司為代表的礦山設備制造企業(yè)已自主研發(fā)了φ5.0～12.2 m 系列半自磨機，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)定及高性價比優(yōu)勢，獲得良好的市場口碑。

實踐表明，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，同時表面產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)展方向是在提高強度和硬度的同時，改善韌性，進而全面提高鋼的抗沖擊和耐磨損能力[27]。

2.3 抗磨白口鑄鐵

國外抗磨白口鑄鐵經歷了 3 個發(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)化應用。

作為礦用磨機襯板，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，但其韌性相對較差。高鉻鑄鐵不適用于強沖擊載荷工況，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。如自磨機高鉻鑄鐵進料端襯板較其他材質使用壽命提高約 1 倍，φ5 m 球磨機高鉻鑄鐵筒體襯板壽命長達 2 年。盡管如此，高鉻鑄鐵因其較高的生產成本、生產制造及使用過程極易開裂、性價比不高等特點，制約了制造商和采購商的選擇，發(fā)展空間較為有限。

2.4 抗磨球墨鑄鐵

目前市場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)因其高強度、一定韌性和良好加工硬化特性，在國內外已被用于磨機磨料、齒輪、凸輪軸和汽車牽引鉤等磨損件。

2.5 耐磨損復合材料

近些年來，國內外耐磨材料研究開發(fā)的熱點主要有鋼鐵基耐磨復合材料和陶瓷顆粒增強鋼鐵基耐磨復合材料。

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

與此同時，國內外一些大型粉磨設備設計制造公司發(fā)明了橡膠金屬復合襯板。鋼-橡復合襯板結合了高性能合金鋼、橡膠和普通鋼等材料的優(yōu)點，獲得優(yōu)良綜合性能[25]。鋼-橡復合襯板現(xiàn)已應用于自磨機及半自磨機低磨損區(qū)域 (進、出料端蓋局部倉位)，因其質量輕，成本低，有利于降低磨機運行功率而不影響磨礦效果，工業(yè)化效果良好。

3 展望

(1)大型化 磨礦裝備技術的進步促使磨礦設備正朝著大型化、高效智能化發(fā)展。中信重工機械股份有限公司生產的規(guī)格為φ12.2 m×11.0 m 自磨機，自2010 年成功應用于澳大利亞 Sino 鐵礦，裝機功率達到 28 MW，目前仍是世界最大的自磨機。世界超大規(guī)格直徑φ12.2 m×7.9 m 半自磨機正在秘魯特羅莫克銅礦運行，裝機功率達到 28 MW，與之配套的 2 臺φ8.53 m×12.80 m 球磨機為目前世界最大球磨機，磨機處理能力超越 10 萬 t/d。未來半自磨機規(guī)格將達到13.7 m，裝機功率可達到 36 MW；球磨機直徑達到 9 m 以上，裝機功率也將達到 25～30 MW。

在大型乃至超大型磨礦設備逐漸應用的背景下，與之配套的耐磨鋼鐵件也具有大型化、厚重化、結構復雜化等特點。耐磨材料面臨前所未有、極其嚴峻的挑戰(zhàn)，這將成為制約大型和超大型設備穩(wěn)定運行的關鍵所在。如何抵抗大規(guī)格磨介和物料的巨大沖擊和高產能帶來的快速磨損，將成為當下及未來耐磨材料的發(fā)展方向。

(2)高純凈、高致密耐磨材料 國內耐磨件內與國外相比在質量上還存在較大差距，缺少高品質產品，開發(fā)高純凈、高致密度的耐磨材料對大型化發(fā)展意義重大，已引起科研單位及企業(yè)的高度重視。目前，國內科研工作者經過大量調研與研究，現(xiàn)已制定了中國鑄造耐磨材料技術發(fā)展路線圖，對砂型及特殊鑄造成型技術、熔煉與爐前處理技術、鑄造耐磨鋼鐵件熱處理技術等做了中長期研發(fā)規(guī)劃并詳細梳理了相關研究方向?？梢灶A測，這些最新的研究及新型設備投入將在未來極大改善鋼水純凈度、細化晶粒，有助于獲得健全、均質、致密鋼鐵耐磨材料鑄件，明顯提高耐磨材料及厚大耐磨件的使用壽命。

(3)先進復合材料 近幾年，金屬基復合材料發(fā)展迅猛，全球市場增長率達到 6% 左右。目前，國內已開展了雙液雙金屬復合、固態(tài)金屬鑲鑄及機械組合等鋼鐵基耐磨復合材料和陶瓷顆粒增強鋼鐵基耐磨復合材料的相關研究，取得系列成果并投入應用。多種復合技術的快速發(fā)展與應用，將會使復合材料性能得到逐步提升。在未來，復合材料的發(fā)展前景更加充滿活力，將促使更多新型復合材料的誕生。

(4)新型耐磨材料 隨著科技的進步，新材料、新技術、新工藝將繼續(xù)得到深入細致的研究，將會產生高性能新型耐磨材料和低成本耐磨材料，如廢棄耐磨材料循環(huán)再生利用技術，低合金低成本耐磨材料，超高耐磨性材料，高硬、高韌性、高性價比耐磨材料等。同時要求耐磨材料兼具其他功能，以用于特殊工況條件，如超高 (低)溫耐磨材料、超強耐磨蝕的合金材料、快速導熱耐磨材料、自潤滑耐磨材料、自修復耐磨材料等。由此可見，未來新型耐磨材料將蓬勃發(fā)展而具有生命力。