隨著科技及工業(yè)的快速發(fā)展，大型機(jī)械設(shè)備零部件磨損速率顯著增加，嚴(yán)重影響了磨礦效率。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(dá) 50%。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(kuò)大、礦石品位逐年降低，破碎、粉磨設(shè)備的生產(chǎn)能力成為提高產(chǎn)能的關(guān)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。

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(shè)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(jī)理不同，礦物的組成成分之間機(jī)械性能亦不同，使得礦石的破碎研磨難易程度存在差異性。受礦山規(guī)模、采礦方式及投資運(yùn)營成本等因素影響，碎磨工藝流程呈現(xiàn)多樣化。選礦廠往往根據(jù)自身特點進(jìn)行工藝流程的設(shè)計與選擇，工藝流程分布不同，同時存在干、濕磨礦的生產(chǎn)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(shè)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(shè)備是破碎作業(yè)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，主要包括圓錐破碎機(jī)、鄂式破碎機(jī)、旋回破碎機(jī)以及高壓輥磨機(jī)、盤旋式破碎機(jī)等。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(jī)襯板承受強(qiáng)烈沖擊和高接觸應(yīng)力，需要外硬內(nèi)韌的耐磨材料以抵抗強(qiáng)沖擊和強(qiáng)大壓力。

磨礦設(shè)備主要有半自磨機(jī)、自磨機(jī)、球磨機(jī)和攪拌磨機(jī)等。自磨機(jī)、半自磨機(jī)與球磨機(jī)的工作原理基本相同，只是自磨機(jī)以物料本身作為磨礦介質(zhì)，以此達(dá)到礦石粉碎的效果。自磨機(jī)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(zhì)襯板現(xiàn)已嘗試在大型自磨機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用。半自磨機(jī)以一定比例的磨料作為磨礦介質(zhì)，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。半自磨機(jī)襯板遭受磨料、物料強(qiáng)烈的沖擊和研磨，并以沖擊磨損最為嚴(yán)重。因此，材料選擇更關(guān)注材料的強(qiáng)韌性、硬韌性，以此保證磨機(jī)運(yùn)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(fù)合材料。球磨機(jī)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(fù)合材料等。攪拌磨作為細(xì)磨和超細(xì)磨設(shè)備，它是利用內(nèi)部攪拌器帶動磨礦介質(zhì)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)有效粉碎物料以及對復(fù)雜礦物進(jìn)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(yīng)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(shù)、磨礦工藝的發(fā)展，碎磨設(shè)備的規(guī)格越來越大，可處理物料的塊度增大，設(shè)備比破碎率增加，處理能力增強(qiáng)，因而碎磨設(shè)備用耐磨襯板幾何形狀變大，截面增厚，質(zhì)量增加，承受相當(dāng)強(qiáng)烈的碰撞、擠壓、沖擊和摩擦，對耐磨材料的韌性、強(qiáng)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(yùn)動而造成表面材料的丟失或轉(zhuǎn)移。根據(jù)磨損產(chǎn)生的機(jī)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(xué)磨損 4 種類型。其中磨料磨損最為嚴(yán)重，尤其在濕態(tài)工況條件下，因存在腐蝕介質(zhì)，同種材料的磨損率是干態(tài)下的數(shù)倍 (酸性介質(zhì)中尤其嚴(yán)重)。因此，襯板材料應(yīng)具備較高的硬度和屈服強(qiáng)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(shè)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(shè)備內(nèi)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(qiáng)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(fù)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(jìn)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(jié)構(gòu)

襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計是磨機(jī)性能的關(guān)鍵因素，決定物料在磨機(jī)內(nèi)的拋落軌跡，影響磨礦效果。

襯板結(jié)構(gòu)形式多樣，大體可分為平滑襯板和不平滑襯板。平滑襯板提升作用小，磨料滾動和滑動作用強(qiáng)，磨削作用強(qiáng)，多用于細(xì)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?，F(xiàn)代磨礦設(shè)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(jī)，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(chǎn)生滑動磨削，兼顧粗磨與細(xì)磨效果，因此，結(jié)合磨機(jī)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(fù)合材料等。凸棱結(jié)構(gòu)襯板多用于自磨機(jī)、半自磨機(jī)，襯板提升作用強(qiáng)，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(jī)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(fù)合材料。襯板結(jié)構(gòu)設(shè)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(chǎn)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(jī)規(guī)格逐漸增大，磨料等研磨介質(zhì)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(shè)計大型耐磨襯板材料時應(yīng)考慮以下性能指標(biāo)。

(1)高淬透性、高淬硬性 粉磨設(shè)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(nèi)組織和性能的均勻性。

(2)良好的綜合力學(xué)性能 良好的塑韌性能夠較好吸收強(qiáng)沖擊工況下的沖擊能量，有效阻止裂紋的萌生和擴(kuò)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(qiáng)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(zhì)中的磨機(jī)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(shù)指標(biāo)。

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

1.6 生產(chǎn)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(yīng)盡量選用富有的、價格低廉的鐵合金進(jìn)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(chǎn)成本，而且合理利用了現(xiàn)有資源，同時可以保證產(chǎn)品具有較高的使用壽命。這種性價比高的耐磨產(chǎn)品，最能獲得客戶的青睞，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)外科技工作者對耐磨材料進(jìn)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(chǎn)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(fù)合材料 5 大類。

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(dǎo)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(zhì)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)。改性高錳鋼是以常規(guī)高錳鋼為基礎(chǔ)，添加適量鉻、鉬、鈦、釩、鈮等元素，通過變質(zhì)處理獲得彌散分布的碳化物，以此提高鑄件力學(xué)性能和耐磨性。中錳鋼是在常規(guī)高錳鋼基礎(chǔ)上通過調(diào)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(qiáng)沖擊載荷工況下，高錳鋼加工硬化能力增強(qiáng)，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(qiáng)度及耐磨性，在礦山破碎機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用。

在磨礦設(shè)備中，高錳鋼最早應(yīng)用于小型球磨機(jī)襯板，使用效果較好。隨著高錳鋼材料以及磨機(jī)大型化快速發(fā)展，改性高錳鋼、中錳鋼逐漸在大型球磨機(jī)、半自磨機(jī)襯板中展開應(yīng)用。但因?qū)嶋H工況、磨機(jī)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(qiáng)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(yán)重時甚至引起磨機(jī)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。

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(qiáng)度、硬度和韌性，硬韌性匹配性良好，應(yīng)用前景廣闊。近年來，水泥廠和火電廠球磨機(jī)襯板，特別是冶金礦山設(shè)備大型自磨機(jī)、半自磨機(jī)以及球磨機(jī)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(jīng)得起反復(fù)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(jī)械股份有限公司為代表的礦山設(shè)備制造企業(yè)已自主研發(fā)了 φ5.0～12.2 m 系列半自磨機(jī)，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(chǎn)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(qiáng)度和硬度的同時，改善韌性，進(jìn)而全面提高鋼的抗沖擊和耐磨損能力。

2.3 抗磨白口鑄鐵

國外抗磨白口鑄鐵經(jīng)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(yīng)用。

作為礦用磨機(jī)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(qiáng)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(jī)高鉻鑄鐵進(jìn)料端襯板較其他材質(zhì)使用壽命提高約 1 倍，φ5 m 球磨機(jī)高鉻鑄鐵筒體襯板壽命長達(dá) 2 年。盡管如此，高鉻鑄鐵因其較高的生產(chǎn)成本、生產(chǎn)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(qiáng)度、一定韌性和良好加工硬化特性，在國內(nèi)外已被用于磨機(jī)磨料、齒輪、凸輪軸和汽車牽引鉤等磨損件。

2.5 耐磨損復(fù)合材料

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

在鋼鐵基耐磨復(fù)合材料方面，國外 MAGOTTEAUX 公司研制出“Bimetal”鋼鐵雙金屬復(fù)合技術(shù)、“Duocast”復(fù)合技術(shù)及“Xwin”技術(shù)。針對 WC、TiC、Al2O3、SiC 等陶瓷顆粒特性，研究了其與鋼鐵(液)冶金結(jié)合效果及表面復(fù)合材料技術(shù)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了多種陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基表面復(fù)合材料。耐磨損復(fù)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(jī)械組合材料等。雙液雙金屬復(fù)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(yīng)用于破碎機(jī)錘頭、破碎機(jī)襯板等耐磨件。實踐表明，破碎機(jī)雙液雙金屬復(fù)合襯板使用效果良好，使用壽命大幅提升，達(dá)到高錳鋼襯板 2 倍以上。

與此同時，國內(nèi)外一些大型粉磨設(shè)備設(shè)計制造公司發(fā)明了橡膠金屬復(fù)合襯板。鋼-橡復(fù)合襯板結(jié)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。鋼-橡復(fù)合襯板現(xiàn)已應(yīng)用于自磨機(jī)及半自磨機(jī)低磨損區(qū)域 (進(jìn)、出料端蓋局部倉位)，因其質(zhì)量輕，成本低，有利于降低磨機(jī)運(yùn)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(shù)的進(jìn)步促使磨礦設(shè)備正朝著大型化、高效智能化發(fā)展。中信重工機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)的規(guī)格為 φ12.2 m×11.0 m 自磨機(jī)，自2010 年成功應(yīng)用于澳大利亞 Sino 鐵礦，裝機(jī)功率達(dá)到 28 MW，目前仍是世界最大的自磨機(jī)。世界超大規(guī)格直徑 φ12.2 m×7.9 m 半自磨機(jī)正在秘魯特羅莫克銅礦運(yùn)行，裝機(jī)功率達(dá)到 28 MW，與之配套的 2 臺φ8.53 m×12.80 m 球磨機(jī)為目前世界最大球磨機(jī)，磨機(jī)處理能力超越 10 萬 t/d。未來半自磨機(jī)規(guī)格將達(dá)到13.7 m，裝機(jī)功率可達(dá)到 36 MW；球磨機(jī)直徑達(dá)到 9 m 以上，裝機(jī)功率也將達(dá)到 25～30 MW。

在大型乃至超大型磨礦設(shè)備逐漸應(yīng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜化等特點。耐磨材料面臨前所未有、極其嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這將成為制約大型和超大型設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵所在。如何抵抗大規(guī)格磨介和物料的巨大沖擊和高產(chǎn)能帶來的快速磨損，將成為當(dāng)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(nèi)耐磨件內(nèi)與國外相比在質(zhì)量上還存在較大差距，缺少高品質(zhì)產(chǎn)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(nèi)科研工作者經(jīng)過大量調(diào)研與研究，現(xiàn)已制定了中國鑄造耐磨材料技術(shù)發(fā)展路線圖，對砂型及特殊鑄造成型技術(shù)、熔煉與爐前處理技術(shù)、鑄造耐磨鋼鐵件熱處理技術(shù)等做了中長期研發(fā)規(guī)劃并詳細(xì)梳理了相關(guān)研究方向?？梢灶A(yù)測，這些最新的研究及新型設(shè)備投入將在未來極大改善鋼水純凈度、細(xì)化晶粒，有助于獲得健全、均質(zhì)、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(jìn)復(fù)合材料 近幾年，金屬基復(fù)合材料發(fā)展迅猛，全球市場增長率達(dá)到 6% 左右。目前，國內(nèi)已開展了雙液雙金屬復(fù)合、固態(tài)金屬鑲鑄及機(jī)械組合等鋼鐵基耐磨復(fù)合材料和陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基耐磨復(fù)合材料的相關(guān)研究，取得系列成果并投入應(yīng)用。多種復(fù)合技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，將會使復(fù)合材料性能得到逐步提升。在未來，復(fù)合材料的發(fā)展前景更加充滿活力，將促使更多新型復(fù)合材料的誕生。

(4)新型耐磨材料 隨著科技的進(jìn)步，新材料、新技術(shù)、新工藝將繼續(xù)得到深入細(xì)致的研究，將會產(chǎn)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(shù)，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(qiáng)耐磨蝕的合金材料、快速導(dǎo)熱耐磨材料、自潤滑耐磨材料、自修復(fù)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。

引文格式：