绪 论
材料、能源和信息是现今文明的重要支柱，人类文明发展的历史中材料始终都是的重要里程碑，众所皆知：致使各种设备及材料失效的三大重要要素是材料的断裂、腐蚀和磨损，其中令机械设备及材料遭受非常大的经济损失的是磨损失效致使的，据不完全统计：各行各业中应用的能源是因为磨损而出现损耗的大约占总能源损耗的一半，对材料使用的工农业来说，大多数的材料是因为严重的磨损，从而导致不能继续地被使用，还有就是更换损害的零件时，设备的正常停工，这种种原因，都对于材料应用广泛的工农业造成了相当大的经济损失，因此，加大对耐磨材料研究的资金投入以及创新地设计新型工艺，用以改善材料耐磨性，使耐磨材料能够更好的符合社会发展需求，这些对于从事耐磨材料研究的人员来说是非常重要的。在控制国民经济发展的各个行业中、诸多物料都要经过研究及破碎等工序后才能够被允许入下一步工序，所以在各个行业中，因磨料磨损而被废弃的工件极为普遍，因此，如何使材料的抗磨能力有效提高，面对工件实际工作环境，怎么样合理地选择耐磨材料，这是耐磨零部件使用年限长短的关键。 能源的损耗、材料的浪费都是因为设备在运转中会出现磨损，从而致使设备损毁，令能源和材料白白地损失，从而直接的造成了经济效益的下降及社会资源的匮乏，而且因为磨损致使设备的损毁，可能会令部分的生产线停工，需耗费人力、物力和财力去修复设备，更换因磨损而损毁的零部件、使其生产率极大的下降，从而导致更严重的损失。此外，零件往往会因为磨损而不能使用，致使产品的质量不能够达到预期要求，更严重的是导致设备的损毁及人身伤害事故，也大大限制了现代化工业的发展。所以如今对材料磨损的各种研究，让越来越多的国家引起重视。
材料的磨损机理在不同的工作环境下是不一样的。对不同耐磨材料磨损的机制，磨损的失效缘由进行系统的分析，通过分析得出结论，然后构建材料耐磨性和材料组织性能之间的关系，选择适当的耐磨材料，可以大大的减少磨损，有利于提高机械设备和零件的使用安全年限，具有非常重要的理论意义和巨大的社会效益和经济效益。因此，为了使材料磨损引起的经济上的损失有所减低，研究各种材料磨损机制和开发新型的抗磨材料是一个永远不会停歇的课题。
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第1章 耐磨材料的概述
1.1 耐磨材料的发展状况
耐磨材料的全部能量损耗和经济成本的消耗主要是在建筑材料、火力发电和冶金采矿等重要的工业领域。机器的设备及零件在运转过程中，可能需要破碎一些大型的原材料，很容易出现磨损而致使其损毁；例如在采矿、水泥生产等行业。所以，集中的研究磨损和研制新型抗磨材料和抗磨技术对工业应用有非常大的实际意义。表1-1列出了在建筑材料工业中材料主要的消耗工序和典型的易损件。
表1-1 建材工业中主要的消耗工序及其易损件
现阶段从事设备的制造、加工及其现场工作人员持久的重要任务是研究如何降低材料的消耗和提高零件的使用安全年限。从学科的领域来看，它可能涉及到机械可靠性设计、摩擦学、失效分析、制造、材料科学、系统工程及表面工程等诸多的分支。而且，更多的实际问题往往需要根据设备的具体工作条件、零件的结构设计、材料选用等多个问题作为一个系统工程来综合考虑。
现今，耐磨零件的生产工艺主要还是采用铸造工艺。2009年我国耐磨铸件的总生产量将近2000万吨，居世界产量的首位，第二第三分别是美国和日本，其中耐磨备件的消耗量约为200万吨；磨球和衬板消耗量分别为百分之五十五和百分之十一在球磨机研磨过程中[1]。我国耐磨铸件的生产铸造企业大多数是由专业的大型机械厂、各个行业的机械修理制造厂和民营的铸造厂转变而来的。现如今，我国耐磨铸件制造的企业的数量大概有800～1 000个。其中耐磨铸件年产量为万吨的大中型企业约为l0％。我国耐磨铸件的类别、消耗量和所占的比例如
图1-1所示。
图1-1 耐磨铸件的类别、消耗量和所占的比例
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人们系统的对耐磨材料的研究已具有100多年的历史。从高锰钢、合金钢、以及种种铸铁等不同种类的抗磨材料，都历经了最初的发现、研究、开发和生产工艺的不断完善的根本过程。在20世纪60年代国外这些研究和应用都已经全部完成了。如今许多的跨国公司都能够采用比较成熟的制造工艺及材料进行集中大批量生产一些损耗量非常大的容易出现损毁的铸件，例如像球磨机磨球、衬板这类的铸件。这些公司主要把精力放在了铸造工艺和设备的改进及其标准化方面，使用更加领先的技术和先进的生产铸造机械设备及质量掌控手段，使其生产量非常大，生产制造效率较高，同时稳定的生产质量，大大降低了制造成本。例如，如今产品的年生产总量达到三十五万吨铬合金抗磨零部件的一家比利时大型公司，其市场的生产总值更是达到3亿多欧元；再如曾经辉煌的美国原GST钢铁公司，锻钢球的年产量达到峰值为60万吨。国际上的一些大型采矿工业及水泥工业备件的主要市场均被这些大公司牢牢的把持着。 比较而言，最近几十年的时间段内，我国从未中断过对耐磨材料及新型耐磨技术方面的钻研和开发。尤其是在1970年到1990年这二十多年的时间里，在高锰钢的强化、各种耐磨低合金钢、铬系白口铸铁、非金属等耐磨材料的系统研究和应用等方面都取得了非常喜人的成就和巨大的经济效益，其中某一些品种已经被应用于国家标准。
就如今而言，中国耐磨材料的生产已逐步的向产量大、涉及广及规模化的方向成长着，并且已经成为了一个专门服务于建筑材料、冶金行业、矿山行业及发电行业的原材料供应而独立存在。其生产制造技术、设备的应用条件以及质量掌控方面也都有非常大的改进，从而极大的降低了易损铸件的消耗指标和成本。 1.2 耐磨材料的使用工况和磨损机理
a.耐磨材料使用工况：建筑材料、矿山、冶金等行业因耐磨材料的开发研究和生产技术的发展而不断的被广泛的应用。在冶金和矿业的生产线上，类型不同的各种耐磨材料被普遍的使用在篦冷机、管磨机、辊压机、风机、立磨、选粉机、预热预分解系统等主机设备之中，和各种贮料仓、阀门、管道、溜槽之中。新型干法水泥生产工艺及各类节约能源的高效粉磨新工艺得以较大规模的应用推广是因为各种高性能耐磨材料被不断研究和开发出来。可以说，耐磨材料保护着诸多容易被磨损的设备，耐磨材料的性能、使用寿命与企业的经济收入存在着直接关系。
在选择耐磨材料应用时，应先对使用工作条件进行分析，根据被应用的工作条件选择耐磨材料基本的性能，以防止单方面的追求力学性能指标，而忽略其他方面性能。不然，一方面可能会由于提高材料性能而致使生产的成本升高，另一方面也可能是由于过于重视某一些指标的要求而忽略其它的一些指标，容易造成事故很大的隐患。
b.磨损机理：机件在工作中，其表层面会互相接触并做相对运动时，表层面渐渐会形成由细微的颗粒所组成的磨屑（疏松的碎屑的大小和形态都不一样），促使表层面的材料渐渐的损失，从而致使机件的原有尺寸发生改变以及质量的严重
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缺失、造成机件表层面损伤或损毁的现象。引起磨损的主要原因是力学作用，但磨损并不是单一的力学过程。引发磨损的缘由并不是唯一的，不仅仅有力学的影响，还有物理及化学的共同影响，所以，摩擦副材料、加载方式、润滑条件及相对运动特性以及工作温度等许多因素都对磨损量的大小有着影响，所以，这个系统过程是非常复杂的对于磨损来说。通常按磨损机理来进行分类，把磨损分为：粘着磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和微动磨损。据不完全统计，每年工业行业中大部分的经济损失都是来源于各类机件磨损，在机件磨损中磨粒磨损所导致的经济损失最高，约占总损失的半数之多，粘着磨损导致的损失约为总损失的五分之一，其他的经济损失基本上都是由于剩下的磨损所导致的。所以，在剖析材料的磨损机理时需要结合实际工况，即从机件磨损所处的实际工作的条件下及耐磨材料本身具有的特性等多个方面综合考虑[3]。
c.机件磨损的外在环境条件
（1）硬度 物料本身的硬度在材料磨损的许多特性之中，是最为重要的影响。 （2）力度 这里特指的是物料对磨损的压力。磨损压力的不断增大致使机件磨损量跟着增大，这是因为随着压力的增大磨料很容易能够刺入材料表层，导致切削材料表面能量增强，机件的磨损随之变得严重。
（3）速度 因材料磨损的种类繁多，所以对于单一的磨损速度来说，速度的大小决定着磨损程度。在滑动磨损的情况下，速度并没有太大的影响。但在冲蚀磨损的情况下，速度对磨损来说有着重大的作用，因为当冲击速度达到某一临界值时，原来不会出现磨损的，如在滑动磨损或低速情况下的物料，此时可能会磨损情况。
（4）角度 在冲蚀磨损中，磨损量的大小是由冲击角度的所决定的。对于脆性材料及韧性材料来说，冲击角度的不同致使材料磨损的程度也不同。脆性材料：冲击角度在增大过程中，材料磨损量将变得更加严重，在将近九十度的垂直冲击条件下，材料磨损量将会出现最大值，这说明在角度相对比较大的冲蚀工作条件下不适宜选用脆性材料，这是因为脆性材料在接近九十度冲击作用时，表层面非常容易破碎和脱落，致使其磨损量最大。韧性材料：初始时，在冲击角度增大的过程中材料磨损量也在增大，在某一角度时，磨损量会出现最大值，随后冲击角度继续增大的过程中，磨损量不再增大，呈下降趋势。这说明在角度较低的工作条件下韧性材料比较易发生磨损状况，在高角度工作条件下其耐磨性可以得到很好的发挥，这是因为韧性材料硬度相对来说比较低，在低角度冲蚀条件下，磨粒对表层面是处于最有利的切削状态，磨损量呈增大趋势。 （5）温度 温度不断的升高致使磨损量亦会随之增大。
（6）湿度 现实的工作环境中，在金属摩擦副的情况下，由于液体流入对磨界面，会致使磨损极大的降低。但在磨料磨损的条件下，如果有水流入到磨料中，会致使更加严重磨损。
（7）粒度 磨料料径：对磨损的影响开始是随着粒径的增大磨损呈线性关系增大，当达到某个数值时即所谓的临界粒径之后，磨损的增加就变得缓慢，或者
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