第3章 不同的耐磨材料的制备工艺
3.1 高锰钢
铸态的钢必须经过水韧处理，水韧处理需注意：水韧处理的加热温度一般在1050~1100℃这个温度区间内，在一定的保温时间下，使碳化物全部溶于奥氏体中；高锰钢的导热性很差，只有碳素钢的1/4~1/5，其热膨胀系数是普通钢的1.5倍，而且由于高锰钢铸件尺寸相对又非常大，所以加热过程需要缓慢，以防止产生裂纹；需要尽量缩小铸件从出炉到入水这一时间段，防止析出碳化物。冷却速度要非常快，通常采用水冷却。水冷过程中，冷却前：水温度不应超过30℃，冷却后：水温应低于60℃；高锰钢经过水韧处理后、不需要再经过250~350℃的回火处理，其使用环境也需要有温度限制，在250~350℃这个温度区间内禁止使用。因为在高于250℃时，会析出碳化物，降低性能。 3.2 耐磨低合金钢
中碳低合金钢或低碳低合金钢在很多情况下被广泛应用于农业机械生产和一些大型采矿机械。例如41Mn2SiRE、65SiMnRE、55SiMnCuRE和18MnPRE等。对于41Mn2SiRE钢来说，其热处理工艺：需要经过淬火处理，其淬火温度为850℃，然后还需要经过回火处理，其回火温度为400~450℃，经过回火处理后，硬度得以提高，其硬度值为38~45HRC，同时耐磨性也有较大提高，在热轧状态下，与45钢进行对比，可以得知，其强度相对45钢升高40%，耐磨性升高50%，冲击韧性也有所升高，符合了制造大型履带式拖拉机履带板中使用条件。对于65SiMnRE钢来说，其热处理工艺：需要经过淬火处理，其淬火温度为820℃，然后还需要经过回火处理，其回火温度为240℃，热处理后，其硬度值为52~60HRC，所以常用65SiMnRE钢制造犁铧，其在农业耕种中的使用年限比65Mn钢制造的犁铧高许多。 3.3 普通白口铸铁
普通白口铸铁热处理工艺：在等温淬火的热处理下，其基体组织主要为贝氏体，粒状的共晶碳化物，有助于其冲击韧性提高，在良好的冲击韧性条件下，一般被应用于铸造磨球及小型衬板[12]。微合金化能有效地提高普通白口铸铁的机械性能及其应用范围。在普通白口铸铁中加入0.8%钨和0.5%铜，可使铸态硬度由HRC~0提高到55HRC，冲击韧性由4.0J/cm2提高到7.5J/cm2。钨元素能够促进强碳化物形成，使碳化物稳定性增加，材质硬度提高等优点，事实证明添加0.8%钨可有效地阻止渗碳体的分解在热处理时，铜和镍有相似的性质，可以增加珠光体的数目，细化铸态组织，大大的提高了冲击值。 3.4 铬系白口铸铁 3.4.1低铬白口铸铁
在中国，低铬白口铸铁的热处理：采用冲天炉熔炼，成本非常低，而且其耐磨性很高，以M3C型为主的碳化物，呈连续网状分布状态，有非常大的脆性及相当低的韧性，只适用于基本上没有冲击载荷作用的磨损工作环境。低铬白口铸铁在实际应用中性能往往达不到要求，通常会对低铬白口铸铁进行变质处理，可以
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提高其性能，使其达到实际使用的性能要求。例如对于低铬白口铸铁进行复合变质剂处理，一般是选用稀土硅铁合金、钒铁、钛铁、金属碲等元素，促使低铬白口铸铁晶粒细化、提高冲击韧度。通过变质处理后的低铬白口铸铁，需要在850℃高温下进行淬火热处理，然后还需要经过回火热处理，回火温度为350℃，热处理后的变质低铬白口铸铁力学综合性能相当良好，硬度值提高，达到了56.5HRC，冲击韧性也有很大的改善，其冲击韧度值为11.0J/cm2。所以经过热处理后的低铬白口铸铁将能被更广泛的应用[13]。 3.4.2中铬白口铸铁
对于中铬白口铸铁实际生产来说，热处理是一个不可或缺的重要工艺，热处理后的中铬白口铸铁，在砂型铸造中才能够获得理想的组织和性能。热处理工艺的不一样，使中铬白口铸铁在砂型铸造中获得到的基体组织也有所不一样，如经过淬火处理及低温回火处理后，获得到的基体组织是以马氏体为主的。如果要得到性能极佳的中铬白口铸铁材料，需要经过淬火及回火的处理，淬火温度一般为880℃~920℃之间，回火温度一般在280℃~350℃之间[14]。如果想要获得马氏体-贝氏体-奥氏体混合组织或者奥氏体-贝氏体混合组织，需要先经过奥氏体化，然后再进行等温淬火，奥氏体化的温度为1000℃，等温淬火的温度为290℃[15]；前两者相比较，在冲击载荷作用下及高应力湿磨料磨损状况下马氏体-贝氏体-奥氏体基体混合组织的耐磨性优于以马氏体基体为主的组织的耐磨性；另外，通过特别的热处理工艺，可以获得以奥氏体基体为主的组织；利用金属型铸造中铬白口铸铁能够获得以屈氏体基体为主的组织；利用阶梯淬火热处理工艺，可以使中铬白口铸铁的性能达到与镍硬Ⅳ型铸铁性能相当的水平，相对于镍硬Ⅰ型铸铁来说，中铬白口铸铁的性能高出其20%~30%。在生产中铬白口铸铁的过程中，通常选用复合变质剂（稀土硅铁和低碳铬铁组成）对中铬白口铸铁进行变质处理，变质处理后，中铬白口铸铁组织形态、晶粒细化都得到了改善，提高了中铬白口铸铁的冲击韧性。在实际生产应用中，根据不同的生产需求，对于中铬白口铸铁需要采用不同的热处理工艺，以获得实际应用中所需要的中铬铸铁的性能。 3.4.3高铬白口铸铁
高铬白口铸铁的特点是共晶碳化物为六角形杆状及曲面板条状的（Cr,Fe）7C3型碳化物，呈断网状分布，显微硬度高达HV1300~1800，而且韧性和耐磨性也较高。高铬白口铸铁在进行淬火热处理时，其加热速率一般在100℃/h~200℃/h之间，奥氏体化温度在850℃~1100℃之间，奥氏体化时间=2h+1/2h/模数（cm）[16]
。经过研究认为在应力较低或者应力较高的磨料磨损工作条件下，高铬白口铸铁的热处理过程中不需要进行回火工艺处理，空淬后就可以应用于生产铸造部件，不仅能够使能源得以节约，还能够大大的减短成品的生产时间，同时其抗磨应用年限比回火者高[17]。不一样的铸造工艺获得高铬白口铸铁的组织及其性能也不相同，如高铬铸铁利用砂型铸造获得的组织及性能和利用金属型铸造时获得的组织及性能就有非常大的差异。研究发现，如果能够使冷却速度掌控的比较合适，高铬白口铸铁能够得到贝氏体、奥氏体和屈氏体等基体组织，如果需要得到的高
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铬白口铸铁性能稳定、铸造成本较低的话，需采用金属型铸造，获得屈氏体基体组织，这样的高铬白口铸铁应用性才能更加的广泛[18]。 3.5 工程陶瓷材料
氮化硅基材料：氮化硅属共价键结合的化合物, 成型烧结非常困难。目前国内外主要成型方法有: “反应烧结” ,“热压、常压烧结”、“重烧结”及“热等静压烧结”等工艺。由于热压、热等静压设备投资非常大, 产品尺寸受到限制, 产量低、故而把研究重点放在“常压烧结”和“重烧结”上。一般工艺: 以超细、高纯氮化硅粉末为原料并添加氧化镁等烧结助剂, 经混合放人模具中, 在氮气下加热到1750--1800℃，后加压而成。北科大研制的ST系列复合陶瓷刀片, 其耐磨性、红硬性、抗热震性等性能比较高，同时其还有良好的韧性、化学稳定性和一定的抗冲击能力, 可以用来切削、粗加工高铬铸铁类的高硬材料。具有卓越的耐滚压接触疲劳性能的氮化硅轴承已经试制成功。显而易见,在低应力的磨料磨损中, 工程陶瓷已表现出巨大的优越性。今后的研究重点方向是使其工艺更加简单化, 成本极大的下降,韧性得到强化,促使工程陶瓷在未来具有更广泛的应用前景［19］。
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第4章 国内外耐磨材料社会经济发展需求分析
4.1 耐磨材料的国外需求分析
依照估计，在2001年在世界市场中将有超过四千亿美元的新材料产业的销售，其中耐磨材料约占百分之七十五到百分之八十。对于一些特殊应用的耐磨材料而言，同样会拥有巨大的销售市场。在1995年信息功能陶瓷材料和其产品的应用相当广泛，致使其全球销售市场上的销售额剧增，销售额达到了二百一十亿美元，预计全年销售额在2010年时将达到八百亿美元；2000年超导材料在世界市场中的销售额已累积达到了八十亿美元，预计十年之后，超导材料的应用将会更加广泛，其销售额同样将会有巨大的飞跃，按照如今的发展趋势，到2020年，全球和超导材料有关的产业的总产值有可能是1995年年销售额的25倍；在2010年全球销售市场中，新兴钕铁硼永磁材料的市场需求量巨大，约为十五万吨，其产值更是达到八十亿美元，带动其他相关产业的产值约为七百亿美元；生物医用材料是一个正在飞速发展的高新技术领域，如今全球生物医用材料及其制品的产值已经超过七百亿美元，美国约为四百亿美元，与半导体产业相当，是美国经济中最前沿、外销量最大的工业之一，这些年来，其增长率每年以百分之二十的速率在连续续递增着，预计到2010年左右，生物医用材料产业总值将会达到与医用药物等同的份额；随着世界资源逐渐的匮乏，可持续发展政策被越来越多的国家所重视，各国政府纷纷开发新型环境材料用来维持环境。所以近些年来生态环境材料的需求量将会剧增，估计2010年的社会需求量份额将高于五百亿美元。因而可知，在全球化的今天，各国经济飞速发展的大环境影响下，耐磨材料需求的规模及需求的增长速率，全是非常巨大的［20］。 4.2 耐磨材料的国内需求分析
我国是一个拥有十二亿人口的大国，经济正处在高速发展的时期，伟大的战略目标已规划完成，再者由于我国现阶段所处于的国情以及耐磨材料在各个领域所具有无可替代的作用，使我国确立了难以想象的需求量于耐磨材料。对我国信息应用技术、资源开发技术、生物医药技术等新型技术方面及国家防空未来的发展建设来说耐磨材料是非常重要基础材料，对我国制造业的改革和提升也同样具有非常重要的作用，与我国资源、环境及社会的可持续发展有着直接关系。
我国的资源非常丰富，稀土工业储量，占全球总储量的百分之七十，所以在中国稀土耐磨材料的发展具有独特的资源优势。例如，稀土永磁材料全球的每年平均增长率为百分之二十三，而中国却有百分之六十的增长率，全世界的钕铁硼永磁材料在1995年的生产总量为六千吨，其中中国的钕铁硼永磁材料的生产总量占世界总量的三分之一，钕铁硼永磁材料的广泛应用，促使其需求量急速增加，预估在2010年全球产量将约达十五万吨，生产总值将达八十亿美元，其中我国的产量将近总产量的一半，产值达二十多亿美元，相关器件产值约达一百多亿美元。
稀土、钨、钛、钼、钽、铌、钒、锂等重要的金属元素，在中国的大西部拥有丰富的储量，其中一些资源储量占全球资源储量的半数以上，这些资源都将会
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是支撑我国耐磨材料发展的不可或缺的原料。对耐磨材料相关元素的不断研究和开发，拓大其应用范围，获得独立的知识产权，可以大大抬高我国在耐磨材料应用方面和铸造制品方面的全球市场竞争力，这同时也实现了对西部资源的的巨大开发，促进西部的经济发展，将西部的资源储备可持续的转化为经济优势，更将有力地支持国家对西部资源的大开发，促使西部经济的腾飞［20］。
总而言之，在社会未来的发展中，耐磨材料始终将在我国经济、社会以及军事的发展中将扮演着重要的角色，研制和开发新型耐磨材料与我国战略目标的实现存在着极大的关系，只要能够具有最新的耐磨材料生产技术作为支撑，实现规划中的战略目标只是时间问题。
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