走进水泥金属耐磨材料.doc

走进水泥金属耐磨材料
从同仁堂十全大补丸看耐磨材料化学成份配比设计
（急行军之第三天）
急行军至今日开始进入一个比较枯燥然而确是相当重要的阶段，即了解合金元素在材料中的作用及与材料性能的关系。大凡关于金属材料这部分的书籍资料极为浩繁，往往是前苏联大部头打底，加之近年时髦“新式武器”，成千上万的钢种，各种性能数据如汪洋大海，这显然不是急行军能攻而克之的。我们不妨尝试用一些浅显通俗的生活哲理来帮助理解。
在前一讲说过金属材料与水泥非金属材料在晶核孕育、晶粒长大、相变过程有诸多相似之处。如水泥有抗压、抗折等力学性能指标一样，金属材料同样有类似的强度、硬度与韧性等指标。在耐磨材料中有时还需关注材料的疲劳极限及断裂韧性（一种观测材料抗裂纹扩展的性能指标）等，而耐磨材料业内人士最为关注的首先是硬度与韧性这两个水火不容、相生相克的冤家对头。为了追求硬度与韧性双高双升的性能，真是不知愁白了多少少年头。不论是锤头还是钢球、衬板或是磨辊、磨盘，为了提高耐磨性，专家们极尽所能去提高硬度，但高硬度伴随着脆性增大，倘若在生产应用中轰然断裂，恐怕这不是各位所愿见到的。反过来为了确保可靠性，专家们又想尽办法去提高韧性，这样硬度就又下降了，材料的抗磨性随之牺牲。真是按下葫芦浮起瓢，令人无所适从。
然而这就是耐磨材料研发工作的挑战与魅力所在。
上一讲我们通过讲述钼的故事导出了合金元素在材料中的作用做为引子，这就是初级“合金化理论”，了解这一点对进一步掌握材料是相当重要的。我们在材料中往往采用几种甚至多达十几种元素来共同作用，以实现最终综合性能指标。因为往往一种元素在对一个或者几个方面性能有贡献的同时，往往对另一个或几个方面性能产生副作用。那么用一个或几个元素做主要性能贡献单位，而用另外一个或几个元素来抑制克服它的不良影响，这类似于中药的“配伍”理论中所表述“君臣佐使”机理。栏主素喜了解些许中医药知识，手头有本《太平惠民和剂局方》记录了中国名药“十全大补丸”的配方及炮制工艺如下：采用党参80g 白术（炒）80g 茯苓80g 炙甘草40g 当归120g 川芎40g 白芍（酒炒）80g 熟地黄120g 炙黄芪80g 肉桂20g 十种药材经破碎、筛分、均化，最后用蜜调和制丸即得。主治气血两虚、体倦乏力等症，国内多家药企均有生产。其中尤以奉行“炮制虽繁必不敢省人力、品味虽贵必不敢减物力”之宗旨为企业核心价值观的“同仁堂”所产为上品。注意，这剂药用材达十种之多，但配比合理，各种药材搭配使用、互相辅佐，真正体现“君臣佐使”的中药配伍理念，是一方温补气血、强身健体的良药，此药疗效不错，价钱不贵，古往今来不知多少官民百姓受惠此方。反观清末咸丰帝面对太平天国内忧和二次鸦片战争外患，苦无良策，终日急火攻心，却又三宫六院、万千佳丽，经年花天酒地，夜夜贪欢，身体极度疲虚，便今日野参、明日鹿茸，直补得两眼发绿，刚过三十寿辰，便留下一群美女寡妇，一缕魂儿追着道光老爹去了，这正是用品追极，补此失彼，最后全盘皆崩。那真叫不懂配伍，换句新学的话叫“合金化理论”没搞懂，真可惜了那些好补品，全是真货极品呐，搁如今哪个不都是天价啊！栏主使劲咽了咽口水……
谈到这里朋友们慢慢品出一点滋味了，其实你只要大致了解常用元素在金属材料中的主要作用，慢慢积累、循序渐进，很快会对材料由生至熟，渐渐就能悟出规律了。这里要特别叙述一个金属材料的重要性能指标：“淬透性”。从字面您可以大致理解这是一个反映钢铁能否被淬火淬透的性能，举一个大概齐的比方：“开封天下第一楼”灌汤包子汁鲜味美是指蒸熟了以后，倘若您非要尝一口生包子或是半熟的，呵呵……这就是材料淬透性不足、淬火淬不透的问题了。栏主告诉您一个秘密：大多数钢材无论多贵重，一般在未做热处理之前性能是不靠谱的，甚至和廉价钢材差不多，好的材料只有经过合适的热处理工艺才能真正发挥性能潜力，有句专业俗语叫“搞好热处理、零件一顶几” 说的就是这个理。
一定要注意的是，合金元素在钢中的作用类似中药组份，设计合金钢成分就如中药配伍，合金元素在钢中所起的作用与其在钢中存在的形态有很大关系。所以，同种元素、不同含量、不同配伍、不同工艺条件，会显示出不同的作用和性能。这一点必须对合金化理论有充分掌握的专业人士才能依据不同情况灵活判断分析。下表是合金元素在钢中基本作用的一些简述：
元 素
作 用
Mn
1.在低含量范围内，对钢具有很大的强化作用，提高强度、硬度和耐磨性。2.降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。3.稍稍改善钢的低温韧性。4.在高含量范围内，作为主要奥氏体化元素。
Si
1.强化铁素体，提高钢的强度和硬度。2.降低钢临界冷却速度，提高钢的淬透性。3.提高钢在氧化性腐蚀介质中的耐蚀性，提高钢的耐热性。4.磁钢中的主要合金元素。
Cr
1.在低合金范围内，对钢具有很大的强化作用，提高强度、硬度和耐磨性。2.降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。3.提高钢的耐热性，是耐热钢的主要合金元素。4.在高合金范围内，使钢具有对强氧化性酸等腐蚀介质的耐腐蚀能力。
Mo
1.强化铁素体，提高钢的强度和硬度。2.降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。3.提高钢的耐热性和高温强度，是热强钢中的重要合金元素。
V
1.在低含量（质量分数为0.05%～0.10%）时，细化晶粒，提高韧性。2.在较高含量（质量分数大于0.20%）时，形成V4C3碳化物，提高钢的热强性。
Ni
1.提高钢的强度，而不降低其塑性。2.降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。3.改善钢的低温韧性。4.扩大奥氏体区，是奥氏体化的有效元素。5.本身具有一定耐腐蚀性，对一些还原性酸类（硫酸、盐酸）有良好的抗腐蚀能力。
Al
1.炼钢中起很好的脱氧作用。2.细化钢的晶粒，提高钢的强度。3.提高钢的抗氧化性能，提高不锈钢对强氧化酸类的抗腐蚀能力。
Ti Nb
1.细化钢的晶粒。2.在不锈钢中改善抗晶间腐蚀的能力。
B
强烈提高过冷奥氏体稳定性，在提高钢的淬透性方面所起的作用比Cr、Mo、Ni等合金元素强得多（每w（B）=0.001%相当于w(Mn)=0.85%，或w(Ni)=2.4%，或w(Cr)=0.45%，或w(Mo)=0.35%
Cu
1.强化铁素体（w(Cu) ＜1.5%）2.产生析出强化作用（w(Cu) >3.0%）3.提高钢的耐腐蚀性（特别是硫酸）性能。
W
1细化钢的晶粒。2.提高钢的淬透性。3.生成高热稳定碳化物和氮化物（W2C、W2N），提高钢的热强性。
Re(Ce、La)
1.炼钢中起脱硫、去气、净化钢液的作用。2.细化钢的晶粒，改善铸态组织（缩小柱状晶粒）
又是一天急行军，辛苦辛苦，再加把油。前几日有个朋友问我：“卢总，按您所说合金钢编号方法为何高锰钢对不上号？”栏主急忙告诉朋友：“别，心急吃不得热豆腐”，关于钢铁编号栏主教您第三招，那就是除了上两讲所述编号方法外，有许多特殊用途钢用的是特定的方法，高锰钢便是其中一例。栏主有幸于2007年成为我国高锰钢最新国标修订者之一，这点发言权还是有的，高锰钢老国标您可参看GB/T5680-1998，它仅有5个牌号，见下表
牌号
化学成分（%）
C
Mn
Si
Cr
Mo
S
≤
P
≤
ZGMn13-1
1.00～1.45
11.00～14.00
0.30～1.00
－
－
0.040
0.090
ZGMn13-2
0.90～1.35
11.00～14.00
0.30～1.00
－
－
0.040
0.070
ZGMn13-3
0.95～1.35
11.00～14.00
0.30～0.80
－
－
0.035
0.070
ZGMn13-4
0.90～1.30
11.00～14.00
0.30～0.80
1.50～2.50
－
0.040
0.070
ZGMn13-5
0.75～1.30
11.00～14.00
0.30～1.00
－
0.90－1.20
0.040
0.070
注：ZGMn13系铸造高锰钢，“－”后阿拉伯数字表示品种代号。
而2007年推出的新国标基本与ISO13521:1999接轨，它特别将过去所说的高锰钢、超高锰钢与中锰钢一并统称为奥氏体锰钢，牌号增加到了9个，它特别的表示方法是“ZG”（铸钢）后面三位数如120表示为该钢含碳量万分数，其它则相同，S、P作为钢中有害元素，一般不在钢号中显示，具体如下表：
牌号
化学成分（质量分数，%）
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
Ni
ZG120Mn7Mo1
1.05～1.35
0.3～0.9
6～8
≤0.060
≤0.040

0.9～1.2

ZG110Mn13Mo1
0.75～1.35
0.3～0.9
11～14
≤0.060
≤0.040

0.9～1.2

ZG100Mn13
0.90～1.05
0.3～0.9
11～14
≤0.060
≤0.040

ZG120Mn13
1.05～1.35
0.3～0.9
11～14
≤0.060
≤0.040

ZG120Mn13Cr2
1.05～1.35
0.3～0.9
11～14
≤0.060
≤0.040
1.5～2.5

ZG120Mn13Ni3
1.05～1.35
0.3～0.9
11～14
≤0.060
≤0.040

3～4
ZG90Mn14Mo1
0.70～1.00
0.3～0.6
13～15
≤0.070
≤0.040

1.0～1.8

ZG120Mn17
1.05～1.35
0.3～0.9
16～19
≤0.060
≤0.040

ZG120Mn17Cr2
1.05～1.35
0.3～0.9
16～19
≤0.060
≤0.040
1.5～2.5

好了，终于又到结束了。经过三天的急行军，您不仅初步了解了耐磨钢铁的编号、含义，也已基本能判定钢中合金含量，同时也了解了一些合金元素在钢中作用及配合理念，下面我们该逐渐进入主题了，请看下讲《知己知彼百战不殆是磨损与抗磨设计的真谛》。