耐磨材料选择

2021年2月28日发(作者：arranged)

水泥机械设备耐磨件

材质的选用

(

内部资料

)

长春铭成合金钢有限公司

2008-1-21

在水泥的生产过程中需应用大量的耐磨材料，

近几年其应用范围已突破传统的铸

造耐磨材料，

非铸造 类的耐磨材料得到更广泛的应用。

就作者的研究、

应用和了

解的有限认识，作一介绍。

一、铸造耐磨材料

用于磨机衬板、< /p>

隔仓板、

篦板，

破碎机锤头、

< p>
板锤、

反击板、

颚板，立磨辊、

< br>盘等易损件的耐磨材料仍为铸造类的耐磨材料。

第一代 耐磨材料

------

高锰钢。

优点：

韧性极好，

在强冲击条件下产生加工

硬 化。缺点：易塑性变形，不耐磨。目前，高锰钢、合金高锰钢及超高锰钢仅限

用于大型破 碎机锤头、板锤、反击板、篦板、颚式破碎机颚板及圆锥破内外锥等

易损件，

< p>

第二代耐磨材料< /p>

------

镍硬铸铁。优点：硬度高，耐磨性好。缺点：脆性较

大，应用范围小。目前，仅有部分立磨辊采用镍硬铸铁，其它应用很少。

第三代耐磨材料

------

高铬铸铁和各类合金钢。

高铬铸 铁优点：

硬度高，

耐

磨性好，韧性比镍 硬铸铁大幅度提高。缺点：在高冲击条件下，韧性仍嫌不足。

合金钢优点：

可通过调整含碳量、

加入不同含量的合金元素及相应的热处理工艺，

获得宽范围的硬度与韧性相匹配的综合机械性能，应用范围更广。

1.

高锰钢系列耐磨材料

在大型破碎设备中高冲击力的工况条件下，

大多采用标准型高锰钢，

同时发

展了合金高锰钢、中锰钢（

6~8% Mn

）和超高锰钢（

16.0~19.0 %Mn

）。

1.1

美国材料试验协会奥氏体锰钢铸件标准

ASTM A128/A128M-93

表

1

美国奥氏体锰钢铸件化学成分（

%

）

牌

号

A

B

C

D

E

F

C

1.05-1.35

0.9-1.35

1.05-1.35

0.7-1.3

1.05-1.45

1.05-1.35

Mn

Cr

Mo

Ni

Si

P

>11.0

-

-

-

<1.00

<0.07

11.5-14.0

-

-

-

<1.00

<0.07

11.5-14.0

1.5-2.5

-

-

<1.00

<0.07

11.5-14.0

-

-

3.0-4.0

<1.00

<0.07

11.5-14.0

-

1.8-2.1

-

<1.00

<0.07

6.0-8.0

-

0.9-1.2

-

<1.00

<0.07

1.2

日本高锰钢铸件标准

JIS G5131-1991

表

2

日本高锰钢铸件化学成分

(%)

牌

号

C

Si

Mn

P

S

Cr

V

SCMnH1

0.90-1.

30

SCMnH2

0.90-1.

20

SCMnH3

0.90-1.

20

SCMnH1

0.90-1.

1

30

SCMnH2

0.90-1.

1

35

--

11.00-14.

00

<0.80

11.00-14.

00

0.30-0.

11.00-14.

80

00

<0.80

11.00-14.

00

<0.80

11.00-14.

00

<0.10

0

<0.07

0

<0.05

0

<0.07

0

<0.07

0

<0.05

0

<0.04

0

<0.03

5

<0.04

0

<0.04

0

-

-

-

1.50-2.

50

2.00-3.

00

-

-

-

-

0.40-0.

70

1.3

中国标准《高锰钢铸件》

GB/T5680-1998

表

3

中国高锰钢化学成分

(%)

牌

号

C

ZGMn13-

1.00-1.4

1

5

ZGMn13-

2

ZGMn13-

3

ZGMn13-

4

ZGMn13-

5

0.90-1.3

5

0.95-1.3

5

0.90-1.3

0

0.75-1.3

0

Si

0.3-1.

0

0.3-1.

0

0.3-0.

8

0.3-0.

8

0.3-1.

0

Mn

11.0-14.

0

11.0-14.

0

11.0-14.

0

11.0-14.

0

11.0-14.

0

Cr

/

Mo

/

S

≤

0.04

0

≤

0.04

0

≤

0.03

5

≤

0.04

0

≤

0.04

0

P

≤

0.09

0

≤

0.07

0

≤

0.07

0

≤

0.07

0

≤

0.07

0

/

/

/

/

1.5-2.

5

/

/

0.9-1.

2

1.4

超高锰钢

为保证厚大铸件的中心部位 全为奥氏体，锰含量提高到

18%

，同时加入

< br>Cr

、

Mo

、

< br>Ni

等元素，提高屈服强度和初始硬度，从而具有足够的韧性及优异的加工

硬化能力，主要用于制作

90kg

以上大锤头 。成分性能见表

4

。

表

4

超高锰钢化学成分及机械性能

化学成份（％）

Mn

Cr

Mo

16-19

2-3

0.2-0.

5

机械性能

硬度

冲击韧性

HB240

176J/cm

2

金相

组织

全奥氏

体

C

0.9-1.

2

Si

<0.8

2.

镍硬铸铁

美国、日本等国在

1930

年前后开始使用镍硬铸铁，目前已发展到镍硬

< br>4#

，

铬含量由

2%

< p>
提高到

9%

，镍含量由

4 %

提高到

6%

，金相组织中的碳化物由

Fe

3

C

型< /p>

变为

M

7

C

3

型，使韧性等力学性能显著提高，铸态厚截面也可获得马氏体组织 ，硬

度在

HRC62

以上，

< p>
并具有一定的韧性，

其特点是几吨重的大型磨辊，

可以不经热

处理，铸态使用，用于立式磨的磨盘和磨辊。镍硬铸铁的成分性能见表

5

。

表

5

国际镍公司镍硬铸铁牌号、成分和性能

化

学

成

分

（

%

）

牌号

C

Si

Mn

Ni

Cr

Mo

0.

3.

1.

3-

3-

5-

0.

7

0.

3-

0.

7

0.

4-

0.

7

0.

4-

4.

8

3.

3-

5.

0

4.

0-

4.

8

5.

0-

2.

6

1.

4-

2.

4

1.

4-

1.

8

8.

0-

9.

0

HRC

砂

53/61

金

54/64

砂

52/59

金

55/62

砂

53/61

金

54/64

砂

53/63

金

56/64

(Mpa)

(Mpa)

φ

30

500-600

230-350

28/4

1

560-850

350-420

35/5

5

560-680

320-390

35/4

8

680-870

420-530

48/7

6

500-600

230-350

28/4

1

560-850

350-420

35/5

5

620-750

500-600

35/4

2

680-870

/

48/7

6

机

械

性

能

σ

w

σ

b

Α

k

Ni-Hard

3.0

0.

-

3-

1#

3.6

0.

5

Ni-Hard

<2.

0.

9

3-

2#

0.

5

Ni-Hard

1.0

0.

-

4-

3#

1.6

0.

7

Ni-Hard

2.6

1.

-

8-

4#

3.2

2.

0

0.

4

0.

4

0.

4

0.

6.

6

5

0.

4

注：砂——砂型铸造，金——金属模铸造。

3.

高铬铸铁

美国

Climax

钼公司率先对含铬

10~30%

的合金白口铁进行了研究，发现高铬

铸铁有很多优点。第一：在含铬

< p>
12%

时可以形成

Cr

7

C

3

型碳化物，显微硬度

HV1300~1800

，

比普通白口铁中

Fe

3

C

型碳化物的显 微硬度

（

HV800~1100

）

高很多，

因此耐磨性好；第二：碳化物形状变为断网状、菊花状，因 此比网状碳化物韧性

高；

此外，

高铬铸 铁的基体可以通过不同的热处理工艺来获得从全部奥氏体到全

部马氏体的各种基体，扩大 其应用范围，满足不同工况条件的需要。

3.1

美国高铬铸铁成分性能

表

6

美国高铬铸铁牌号、成分和性能

牌号

化

学

成

分

（

%

）

Cr

Mo

Cu

Ni

Si

11-14

<1.5

<1.2

0.5-1

<1.0

.0

14-16

2.5-3

<1.2

0.5-1

0.3-0

.0

.0

.8

14-16

2.5-3

<1.2

0.5-0

0.6-0

.0

.8

.9

14-16

2.4-2

<1.2

0.5-0

0.3-0

.8

.8

.8

14-16

< p>
1.9-2

0.5-1

0.6-0

0.4-0

.2

.2

.9

.8

18-21

1.4-2

0.5-1

0.6-0

0.4-0

< p>
.0

.2

.9

.9

24-28

0.3-1

<0.8

<1.0

3.0

.0

硬度

(HRC)

铸态

淬火

49

51-5

6

50-5

4

44-4

8

50-5

5

50-5

4

48-5

0

60

62-6

7

60-6

5

58-6

3

60-6

7

60-6

7

>56

C

2.0-3

12Cr

.5

15-3

高

3.2-3

碳

.6

< p>
15-3

中

2.8-3

碳

.2

15-3

低

2.4-2

碳

.8

2.8-3

15-2-1

.5

2.6-2

20-2-1

.9

2.2-2

26Cr

.8

Mn

<1.0

0.7-1

.0

0.6-1

.0

0.5-0

.8

0.6-0

.9

0.6-0

.9

<1.0

3.2

中国抗磨白口铸铁件成分性能

1999

年我国把低、中、高铬铸铁及镍硬铸铁合并制定了《抗 磨白口铸铁件》

标准

GB/T8263-1999

。

表

7

抗磨白口铸铁件牌号、成分

牌

号

C

KmTBNi4Cr2-DT

2.4-3

.0

KmTBNi4Cr2-GT

3.0-3

.6

KmTBCr9 Ni5

2.5-3

.6

KmTBCr2

2.1-3

.6

KmTBCr8

2.1-3

.2

Si

≤

0.8

≤

0.8

≤

2.0

≤

1.2

≤

2.2

Mn

≤

2.0

≤

2.0

≤

2.0

≤

2.0

≤

2.0

Cr

1.5-3.0

Mo

Ni

≤

3.3-

1.0

5

1.5-3.0

≤

3.3-

1.0

5

7.0-11.

≤

4.5-

0

1.0

7

1.5-3.0

≤

≤

1.0

1.0

7.0-11.

≤

< p>
≤

0

1.5

1.0

Cu

/

/

/

≤

1.2

≤

1.2

S

≤

0.15

≤

0.15

≤

0.15

≤

0.10

≤

0.06

P

≤

0.15

≤

0.15

≤

0.15

≤

0.15

≤

0.10

KmTBCr12

KmTBCr15Mo

KmTBCr20Mo

KmTBCr26

2.0-3

.3

2.0-3

.3

2.0-3

.3

2.0-3

.3

≤

1.5

≤

1.2

≤

1.2

≤

1.2

≤

2.0

≤

2.0

≤

2.0

≤

2.0

11.0-14

.0

14.0-18

.0

18.0-23

.0

23.0-30

.0

≤

3.0

≤

3.0

≤

3.0

≤

3.0

≤

2.5

≤

2.5

≤

2.5

≤

2.5

≤

1.2

≤

1.2

≤

1.2

≤

2.0

≤

0.06

≤

0.06

≤

0.06

≤

0.06

≤

0.10

≤

0.10

≤

0.10

≤

0.10

注：

DT

、

GT

分别表示低碳、高碳。

Cr15Mo

和

Cr20Mo

硬度≥

58

，其余硬度≥

56

。

建材行业

< br>1998

年制定了标准

《高铬铸铁衬板技术条件》

JC/T691

—

1998

< br>，

见

表

8

。

表

8

高铬铸铁衬板牌号、成分

牌

号

C

CBCr15

2.0-3

.0

CBCr20

2.0-3

.0

Si

<1.

0

<1.

0

Mn

0.5-2

.0

0.5-2

.0

Cr

12.0-18

.0

18.0-23

.0

Mo

0.5-2

.5

0.5-2

.5

Ni

Cu

S

<1.0

0-1.2

<0.0

6

<1.5

0.8-1.

<0.0

2

6

P

<0.1

0

<0.1

0

注：

CBCr15

硬度≥

52

，冲击韧 性≥

5J/cm

2

；

< br>CBCr20

硬度≥

48

，冲击 韧性≥

7J/cm

2

。

4.

耐磨合金钢

上世纪

< br>80

年代以来，我国科研工作者根据高锰钢韧性富余硬度过低、高铬

铸铁硬度很高韧性不足的状况，

借鉴国外经验，

结合 我国资源，

研发出多种耐磨

合金钢，具有较高的韧性及硬度，综 合机械性能优良，应用范围更广。按含碳量

和合金含量分为下列

3

类：

4.1

低碳低合金钢

由于含碳量及合金含量 均不高，热处理通常采用水淬，可获得足够高的韧性

和较高的硬度，在较强烈冲击磨损条 件下代替高锰钢。化学成分如表

9

，力学性

能如表

10

。

4.2

中碳低合金钢

水淬低碳低合金钢有良 好的韧性、较低的成本，但由于碳含量低，淬火后的

硬度难以进一步提高，耐磨性不足， 且水淬工艺控制不好的话，铸件容易开裂。

为此，增加碳含量，提高其硬度并适当牺牲韧 性，通过变质处理、采用油淬或

空淬的方法提高钢的综合性能，满足低、中冲击高耐磨性 工况条件的要求。化

学成分如表

11

， 力学性能如表

12

。

4.3

中碳中合金钢

由于中碳低合金钢的合 金含量不高，淬透性差，油淬工艺复杂、

成本高，因

此又研制了 适当提高合金含量、

采用风淬的中碳中合金钢。

具有代表性的是 合肥

水泥研究设计院

89

年鉴定的中碳 多元合金钢，热处理采用风淬，金相组织为马

氏体

+

< p>
弥散碳化物，力学性能为：硬度

HRC42~55

，冲击韧性

15~50J/cm

2

，综 合机

械性能优异，在大型磨机衬板、隔仓板、篦板及颚板上应用，使用寿命是高锰钢

的

2~3

倍。化学成分如表

13

，力学性能如表

14

。< /p>

表

9

低碳低 合金钢的化学成分（

%

）

牌

号

ZG30Mn2SiReB

0.35

ZG30CrMn2SiReB

C

Si

Mn

Cr

/

Ni

Mo

/

/

Cu

/

B

Re

0.25-

0.8-

1.0-

1.1

1.6

/

0.33

ZG33

Cr

Mn

SiNiMoCuRe

0.36

1.2

1.3

1.3

1.2

0.5

1.5

1.1

1.5

1.2

/

/

0.005-

0.10-

0.007

0.15

0.27-

0.8-

1.0-

0.8-

0.005-

0.10-

0.007

/

0.20

0.15

0.10-

0.30-

0.8-

0.8-

0.8-

1.0-

0.2-

0.5-

表

10

低碳低合金钢的力学性能

抗拉强度

屈服强度

冲击韧性

延伸率

牌

号

σ

b

(MPa)

σ

ZG30Mn2SiReB

ZG30CrMn2SiReB

0.2

硬度

HRC

45-52

48-50

47-51

(MPa)

a

k

(J/cm

2

)

δ

5

(%)

>30

55-65

43-47

/

2.8-3.2

2.1-3.5

>1550

>1300

1700-1770

1300-1380

1439-1487

1186-1226

< br>ZG33

Cr

Mn

SiNiMo CuRe

表

11

中碳低合金钢的化学成分

牌号

ZG37SiMnCr2MoV

C

0.30-

0.40

Si

Mn

Cr

Ni

Mo

0.5-

/

Cu

/

V

B

-0.00

Re

0.2-

0.4

0.10

0.8-

1.0-

1.5-

1.4

1.6

2.5

/

0.1-

0.003

0.5

/

/

4

/

1.0

0.1-

ZG42Cr2MnSi2MoRe

0.38-

1.5-

0.8-

1.8-

0.48

1.8

1.0

2.2

0.3

-

0.15

0.45-

0.6-

1.3-

1.5-

ZG48SiMn2Cr2CuRe

0.50

1.2

1.8

2.5

/

/

0.5-

/

1.0

/

0.10

-

0.15

表

12

中碳低合金钢的力学性能

牌

号

ZG37SiMnCr2MoV

ZG42Cr2MnSi2MoRe

ZG48SiMn2Cr2CuRe

抗拉强度

σ

b

(MPa)

冲击韧性

a

k

(J/cm

2

)

硬度

HRC

1828

1747

1140-1170

63.0-46.0

21.6-35.7

11.0-19.0

51-53

51-55

54-59

表

13

中碳多元合金钢的化学成分

元素

C

Cr

含量

0.25-0.65 3.5-6.5

Mo

Si

Mn

Ni

Cu

Ti

V

微量

Re

微量

0.3-1.0

0.4-1.0

0.4-1.2

＜

1.0

0.3-0.6

微量

表

14

不同含碳量的中碳多元合金钢的金相组织和力学性能

牌

号

ZG30Cr5Mo

ZG40Cr5Mo

ZG50Cr5Mo

ZG60Cr5Mo

金相组织

M+B+Ar

M+ Ar

M+ Ar+K

M+ Ar+K

σ

b

（

MPa

）

σ

0.2

（

MPa

）

a

k

（

J/cm

2

）

＞

1240

≥

800

≥

50

＞

1500

≥

900

≥

35

＞

1300

—

≥

25

＞

1200

—

≥

15

HRC

≥

42

≥

46

≥

50

≥

55

注：

M-

马氏体，

B-

贝氏体，

< p>
Ar-

残余奥氏体，

K-

碳化物

综观国内金属耐磨材料现 状，

品种系列已基本齐全，

其中以耐磨合金钢、

高

铬铸铁的发展最为迅速，可以满足各种生产规模水泥生产线的需求。

5.

典型易损件耐磨材料的选择

5.1

锤式破碎机锤头

5.1.1

磨损机理

当物料与高速旋转的锤头撞击时，

物料尖角压入锤面，

形成撞击坑，

其冲击

< br>力全部转为对锤面的压应力，

此时锤头属于冲击凿削磨损。

当物料以一定角度撞

击锤头或锤头与篦板相互搓磨时，

冲击力 分解为平行锤面的切向应力，

对锤头表

面进行切削，形成一道道 切削沟槽，则为切削冲刷磨损。

5.1.2

影响锤头使用寿命的因素

< /p>

锤头的磨损情况与诸多因素有关，如：物料性质（入机粒度、种类、硬度、

水分、温度等）、锤头线速度、篦板篦缝的大小等，会有相当大的差异。合理选

材十分重要。

5.1.3

锤头材料的选择

大型破碎机、进料粒度＞

400 mm

、单重

50-125 kg

以上 的大锤头，因为受

冲击力大，

应该使用安全为前提，

< p>
主要选择高韧性的超高锰合金钢，

也可选用合

金化 高锰钢。

中小型破碎机、

入料粒度＜

200mm

、

单重

50kg

以下的锤头，

受冲击力相对较

小，

普通高锰钢加工硬化能力不能充分发挥，

因而不耐磨，

应该选择含碳量为上

限的合金高锰钢或中低碳合金钢。

小型破碎机、入料粒度＜

50mm

< p>
、单重

15kg

以下的锤头，受冲击力更小，不< /p>

适宜选用高锰钢，

可选择中碳中合金钢，

更适宜选用复合铸造锤头。

锤头顶部采

用高铬铸铁，锤柄用

35#

钢或低合金钢，两种材料分别发挥各自的特点。

入料粒度＜

100mm

的细碎机锤头，

受冲击力适中，

应选用高韧性超高铬铸铁，

硬度

>HRC60

，冲击韧性>ak8J/ cm?，使用寿命可比高锰钢提高

3~5

倍。

< br>

破碎旋窑熟料或高硬度矿物的细碎机，高韧性

超高铬铸铁的硬度不能无限度提高，应选择硬质合

金与超高铬铸铁、结构钢组合的“三合一”组合锤头。

钴基硬质合金的硬度高达

HRC70

以上，抵 抗高硬度

物料的磨损效果最好，使整体锤头的使用寿命大幅

< p>
度提高。例如：产量

100t/h

的

PCX100

型细碎机中

一付组合锤头可破碎熟料

15

万吨。

5.2

单段锤破大锤头

< p>
用于破碎

500~1500mm

大块石料的单段锤 式破碎机，锤头单重

80-220kg

。因

承受的冲击力太大，

锤头材质有如下

5

种选择。

就作者的经验，

因石灰石的性质

< br>差异太大，目前尚不能确认哪种方案最好，只能通过对比使用后合理选择。

5.2.1

合金高锰钢：在

ZGMn 13

中加入

Cr

、

Mo

等合金。

5.2.2

超高锰钢：含

Mn16%

以上，并加入

Cr

、

Mo

等合金 。

5.2.3

表面堆焊：高锰钢锤 头工作面堆焊

TM55(Mn

系

)

、

ZD3(Cr

系

)

等，表面堆

焊层硬度

HRC56-6 2

。

5.2.4

< br>双金属铸造：

Magotteaux

公司头部高铬铸铁＋ 柄部铬钼合金钢（头部：

3.4%C

，

16%Cr

，

HRC

≥

61

。柄部：

0.2%C

，< /p>

1.9%Cr

）。

5.2.5

合金高锰钢头部镶铸硬质合金块。

5.3

立磨辊

5.3.1

中小型磨辊：

高铬铸铁整 体铸造，

HRC62

－

64

< p>
。

镍硬铸铁Ⅳ整体铸造，

HRC58

－

64

。

5.3.2

大型磨辊：上述两种材质分块铸造。

5.3.3

表面堆焊：碳钢堆焊新辊和旧辊修复。

5.3.4

双金属复合磨辊

---- --

DUOCAST ?(塑性铸铁＋高铬铸铁镶嵌块

)

。

Magotteaux

公司在塑性铸铁（

HB320

）上，以机械方式镶嵌燕尾槽的高铬铸

铁块（

FMU18

，

Cr

≥

16%

，

HRC

< br>≥

64

）。其优点：①同样材质的高铬铸铁镶嵌块比

整体铸造的磨辊硬度高，

耐磨性更好。

②塑 性铸铁对立磨运行中产生的各种应力

的扩散有非常好的阻碍作用。

即使金属异物使镶嵌块产生裂纹，

也难以向内部扩

展。

设备运行更可靠。

③耐磨寿命比

Nihard

Ⅳ提高

50%

以上。

< br>④镶嵌块之间的塑

性铸铁磨损快，形成小凹槽，增加了对物料的咬合力，可提高粉 磨效率。

5.3.5

金属基陶瓷复 合材料磨辊

------X-

win ?。

Magotteaux

公司将陶 瓷颗粒均匀地分布在高铬铸

铁的蜂巢状结构中。其优点：①陶 瓷的硬度

Hv2100

，

< p>
远高于其它材料的硬度

(

石英

Hv~1800

，

Nihard

Ⅳ 和高

铬铸铁

Hv<900

< p>
，熟料

Hv~600)

，因此具有优异的耐磨

性。②磨辊使用寿命比

Nihard < /p>

Ⅳ和高铬铸铁提高

1

倍

< br>

以上。③

X-win

应用于立 磨盘，使用寿命提高

1-3

倍。

④

X-win

应用于熟料破碎机，使用寿命 比合金锤头提高

1-1.8

倍。

5.4

磨机粗磨仓衬板

5.4.1

磨损机理

通常粗磨仓入磨粒度为

15-25 mm

，研磨体平均球径

75mm

左右，最大球径

< br>?90mm。磨机回转时，球和物料以较大的冲击力凿削衬板；球在下落的滑动或滚

动中挤压物料，

物料尖角切削衬板，

因此粗磨仓衬板磨损机理 是以高应力冲击凿

削磨损为主，挤压切削磨损为辅。

5.4.2

材料的选择

粗磨仓衬板受高应力冲击要求材 料有足够韧性，

受切削磨损要求材料有高硬

度。根据磨损原理， 材料硬度

(Hm)

应达到物料硬度

(H a)

的

0.8-1.2

倍，即

Hm/

Ha=0.8-1.2

，

水泥熟料硬度为

HV500-550

，

相当于

HRC49-53

。

所以衬板材料硬度

应在

HRC50

以上 才耐磨，同时要求冲击韧性>ak10J/ cm?才能不开裂，满足安全

使用要求。因 此粗磨仓衬板应选择中碳多元合金钢及类似合金钢材料，硬

度

> HRC48

，冲击韧性>ak15J/ cm?，使用寿命可达

2-3

年。

如果磨前有细碎机或辊压机作预 粉磨，

并采用单螺孔的沟槽衬板结构，

应选

择高铬铸铁，使用寿命可达

8

年以上。

5.5

磨头端衬板