球磨機襯板材料及失效形式分析

李曉波

耐磨材料在現代工業中有著舉足輕重的作用，材料磨損不僅造成機械設備零件失效，工件維修頻繁，設備工作效率下降和成本增加，而且會消耗大量的能源和材料[1]。球磨機是建材、冶金與電力等行業粉磨作業的主要設備，球磨機襯板是其主要易磨損件，年消耗量極大。隨著粉磨技術的快速發展，球磨機逐漸向大型化發展，對球磨機襯板材料的性能要求也越來越高，如何提高其耐磨性是廣大材料工作者重點研究的課題[4]。在不同的工況條件下，材料可以顯示出不同的耐磨性，應根據磨機的實際工況條件，選擇相應的磨機襯板材料[2]。

1 襯板材料

球磨機襯板是保護磨機筒體不受研磨介質和被磨物料磨損的構件，要求其具有良好的耐磨性能[3]。球磨機襯板不僅能承受研磨體與物料的磨損和沖擊，而且還有提升粉磨效率的作用。襯板種類很多，根據其表面形狀可以分為階梯襯板、波形襯板、平襯板、壓條襯板、半球形襯板、分級襯板、溝槽襯板等。根據襯板材料的不同，主要分為金屬材料襯板、橡膠材料襯板和復合材料襯板三大類，其中金屬材料襯板包括耐磨鑄鐵、合金耐磨鋼和高錳鋼材料襯板。

1.1 金屬材料襯板

1.1.1 耐磨鑄鐵材料

耐磨鑄鐵主要包括普通白口鑄鐵、鎳硬鑄鐵和鉻系白口鑄鐵三大類。耐磨鑄鐵的生產如今已經標準化和系列化[1]，其中高鉻鑄鐵的鉻含量一般＞12wt%，因其具有良好的耐蝕性和抗氧化性，而且韌性優于普通的白口鑄鐵，故廣泛用作制造襯板的材料。但由于高鉻鑄鐵中存在比較脆、硬的碳化物，嚴重降低了高鉻鑄鐵工件基體抗沖擊的能力，故主要用于承受低應力磨料磨損或沖擊負荷較小的工況。近年來，許多材料學者[5]在傳統高鉻鑄鐵基礎上，致力于提高高鉻鑄鐵的沖擊韌性和耐磨性能，研制出了高韌性高鉻鑄鐵、無鉬鎳高鉻鑄鐵、稀土釩鈦高鉻白口鑄鐵和低硅錳高鉻鑄鐵等新材料，在實際使用中，表現出了優良的性能。馮勝山等人[6]制備的新型高韌性高鉻鑄鐵襯板中不含價格昂貴的鉬、銅，而是采用了高效稀土復合變質劑，價格低廉，沖擊韌度達到8J/cm2以上，耐磨性為ZGMn13高錳鋼襯板的2.6倍。李固成等人[7]通過對高鉻鑄鐵合金化及變質處理，開發了無鉬鎳高鉻鑄鐵耐磨襯板，經熱處理后，其硬度達到57～60.5HRC，沖擊韌度為4～8J/cm2，淬透性＞80mm。富利清等人[8]以微量V、Ti取代Mo、Cu，制備了高鉻鑄鐵襯板材料，并用稀土進行變質處理，發現其基體組織得到細化，碳化物由長條狀變為團塊狀，硬度、耐磨性、沖擊韌度均有提高，沖擊韌性也有較大提高。王敬華等人[9]設計的低硅錳化學成分的高鉻鑄鐵，獲得了預想的金相組織和力學性能，采用適宜的鑄造工藝和熱處理方法試制的高鉻鑄鐵耐磨襯板性能與進口襯板性能相當。

1.1.2 合金耐磨鋼材料

合金耐磨鋼是近年來國內外發展較快的鋼種，其低、中合金耐磨鋼廣受研究者的關注。國外發展出來的低、中合金耐磨鋼系列有日本的JFE-EH系列、德國蒂森克虜伯的XAR系列、德國的迪林根400V和500V系列、瑞典奧克隆德生產的HARDOX系列等[10]。國內發展出來的低、中合金鋼系列有Cr-Mo系列、Cr-Mo-Mn系列、Cr-Mo-V系列及Cr-Mo-Ni系列等。低合金耐磨鋼加入的合金元素種類繁多，典型的低合金鋼有貝氏體鋼、馬氏體鋼、馬氏體-貝氏體鋼等[11]。

（1）馬氏體耐磨鋼材料

馬氏體鋼按照含碳量分為低碳（≤0.25wt%）、中碳（0.25～0.60wt%）、高碳（≥0.60wt%）馬氏體鋼。通過在耐磨鋼中添加相應的合金元素，并經淬火回火熱處理工藝后，可獲得回火馬氏體組織。因為馬氏體組織的位錯密度較高，所以馬氏體組織具有較高的硬度，可以很好地抵抗襯板磨損時裂紋的產生。在中等沖擊磨損情況下，馬氏體耐磨鋼具有較好的綜合力學性能。表1和表2列出了國內開發的一些典型襯板用馬氏體鋼的化學成分及組織和性能[1]。

（2）貝氏體鋼材料

Robertson首先在鋼的中溫轉變產物中發現了貝氏體組織，其后P.B.Picering研制出Mo-B系貝氏體鋼。由于Mo和B元素對鋼組織的影響，在空冷條件下即可獲得貝氏體組織，但該鋼種生產成本較高，應用受限[11]。胡達新等人[12]研究了連續空冷冷卻速率、等溫溫度對新型中高碳Mn-B系貝氏體鋼組織的影響規律，結果表明，試驗合金具有優良的淬透性，在空冷條件下可獲得貝氏體和馬氏體復相組織。國內材料工作者研制出了多種新型球磨機襯板貝氏體耐磨鑄鋼材料，表3和表4分別列出了一些典型貝氏體耐磨鋼的化學成分和組織性能[5]。

表1 低合金馬氏體鋼襯板的化學成分，wt%

表2 低合金馬氏體鋼襯板的金相組織和力學性能

表3 貝氏體低合金耐磨鋼襯板的化學成分，wt%[5]

表4 貝氏體低合金耐磨鋼襯板的金相組織和力學性能[5]

（3）馬氏體-貝氏體鋼材料

Edwards首先提出下貝氏體-馬氏體復相組織，由于在高強度馬氏體基體上分布了一定體積分數的下貝氏體，在保持較高強度的同時，提高了材料的塑性和沖擊韌性，是低合金耐磨鋼發展的重要方向。大量研究表明，有復合組織的鋼的韌性優于全馬氏體組織或貝氏體組織，在馬氏體基體上分布適量的貝氏體組織，既不影響鋼的強度還可以提高材料的塑性和韌性，同時也具有良好的抗磨損能力[11]。貝氏體-馬氏體復相組織引起了人們的廣泛重視[5]，研制出了許多貝氏體+馬氏體的低合金耐磨鋼，見表5和表6。

表5 馬氏體+貝氏體低合金耐磨鋼襯板的化學成分，wt%[5]

表6 馬氏體+貝氏體低合金耐磨鋼襯板的金相組織及力學性能[5]

1.1.3 高錳鋼材料

高錳鋼是球磨機襯板的常用材料，磨球和物料在粉碎倉劇烈沖擊襯板，要求襯板具有較高的抗沖擊性能和耐磨性。高錳鋼經水韌處理后，組織為單相奧氏體，具有良好的加工硬化能力。在受到強烈沖擊作用時，高錳鋼表層由于顯著的加工硬化現象變硬，適用于具有沖擊工況的磨損條件。傳統高錳鋼ZGMn13由R.A.Hadfield首次發明[13]，其主要化學成分見表7。

表7 傳統高錳鋼的化學成分[13]，wt%

國內外一些研究機構[14]以Mo、V、Ti、Ni、Nb、稀土等元素對奧氏體錳鋼合金化方面進行了系統研發，并在變質處理、成分對錳鋼加工硬化效果及其機理方面做了深入研究。錳鋼加入合金元素后可以形成穩定的彌散分布的島狀、粒狀高硬合金碳化物等，奧氏體晶粒長大受阻礙，奧氏體組織中彌散分布著碳化物硬質點，使其耐磨性能比普通高錳鋼有顯著提高。I.EI-Mahallawi等人[15]研究了Cr元素對高錳鋼性能的影響，研究表明，在高錳鋼中添加鉻，可提高鋼的硬度和淬透性，降低鋼的韌性。Vdovin，K.N.等人[16]研究了合金化和熱處理對高錳鋼磨料和沖擊磨料磨損性能的影響，繪制了不同合金化條件下的磨料磨損系數和沖擊磨料耐磨性系數。此外，還研究了不同磨損條件下合金元素對高錳鋼耐磨性的影響，建立了與最大磨料和沖擊磨料耐磨性相對應的合金元素濃度。閆華等人[17]發現在傳統高錳鋼中加入Cr和Mo能在基體中得到細小、彌散分布的碳化物顆粒，使高錳鋼的力學性能得到較大幅度的提高，其力學性能相對于傳統的高錳鋼來說，沖擊韌性、抗拉強度和耐磨性分別增加了41%、25%和35%。何力等人[18]采用稀土變質處理及添加合金元素Cr，有效改變了高錳鋼析出碳化物的形態，并獲得了彌散分布的顆粒狀碳化物，其主要為M23C6型碳化物。Jiali Cao等人[19]研究了Nb對高錳鋼組織和力學性能的影響，結果表明，Nb的加入細化了高錳鋼的組織，而且使其具有較高的堆垛層錯能，有利于形成變形孿晶。此外，添加Nb的鋼具有更高的強度和塑性，拉伸強度和延伸率的乘積＞61.8GPa·%。研究者[20]還在原來的高錳鋼基礎上，通過提高碳、錳含量等技術路線發展超高錳鋼。超高錳鋼是在傳統高錳鋼Mn13的基礎上，提高碳、錳的含量，并加入一些合金元素，如鉬、鉻、釩等，使鋼的加工硬化能力、耐磨性顯著增強。W.Y.Wang等人[21]研究了新型超高錳鋼的沖擊磨料磨損性能，結果表明，超高錳鋼Mn18的耐磨性與Mn13相比大大提高，磨損表面硬度隨著磨損的增加而緩慢增加。在高沖擊作用下，Mn18的耐磨性是Mn13的1.5倍。涂斌[22]通過將錳含量提高20.9%，再添加微量的W、V元素，能夠進一步提高超高錳鋼的屈服強度和抗拉強度，提高耐磨性能。

隨著現代工業生產的規?；妥詣踊髽I對球磨機、破碎機生產能力和工作效率提出更高的要求。這就要求材料工作者在現有高錳鋼的基礎上繼續研發性能更加優異的高錳鋼襯板材料，從材料的成分設計、熱處理工藝、輕量化等方面綜合進行考慮，開發新一代、低成本高性能的高錳鋼耐磨襯板，以延長襯板的使用壽命，降低襯板更換次數，降低企業的生產成本。

1.2 橡膠襯板

橡膠是具有良好彈性的聚合物材料，它具有良好的耐磨損和耐腐蝕性能，瑞典的SKEGA公司[23]在20世紀60年代首次成功將橡膠用于球磨機襯板。我國在20世紀70年代時多采用濕法原料球磨機，這種磨機內一般采用的都是橡膠襯板。相對于金屬襯板，橡膠襯板的優勢在于輕巧、容易安裝，使用時間比較長，噪聲比較小，消耗的動力較小。但橡膠襯板也存在一些缺點，比如不能在干法原料的球磨機上應用，而且球磨機效率低[24]。趙敏等人[25]發明了一種復合型耐磨橡膠襯板及其制作方法，該橡膠襯板表層的復合橡膠板的耐磨性能和強度有大幅提高，下層的彈性橡膠板因添加了緩沖劑，能夠吸收表層復合橡膠板傳遞的沖擊力，從而提高了橡膠襯板的整體抗沖擊性能、抗折性能和耐磨性能。蔡仁星[26]通過對橡膠襯板在二段球磨的實際使用以及失效原理進行了探索性的研究，結果表明，在開展以研磨為主的細磨作業過程中，橡膠襯板能夠發揮十分巨大的作用。但若將橡膠襯板應用到以沖擊破碎為主的粗磨作業當中，由于其硬度不高，在對高硬度的礦石進行粗磨作業時，會導致犁割失效。河南金源選礦廠通過多次技術比較[27]，將球磨機原錳鋼襯板改造為橡膠復合襯板。改造后，有效延長了球磨機襯板的使用周期，降低了磨礦能耗、鋼耗，降低了作業人員的勞動強度，同時降低了球磨機噪聲，取得了較好的經濟效益。

1.3 復合材料襯板

由于復合材料具有可設計性和良好的綜合性能，已被廣泛應用于耐磨材料領域。國內的材料研究者已經制作出不同種類的復合材料襯板，大致可以分為雙金屬復合材料襯板和陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料襯板兩種。向云貴[28]采用“平做立澆”技術鑄造了雙金屬復合材料襯板，襯板隔板與雙金屬液形成了良好的冶金結合，整體具有優良的耐磨性和良好的韌性，適用于制造大型球磨機襯板。雙金屬復合材料經900℃淬火、420℃回火后，有較好的使用性能。高揚[29]通過高鉻鑄鐵與ZG230-450鋼進行復合鑄造，使材料達到了抗磨損性、抗腐蝕性良好的目的，并通過熱處理得到優良的綜合性能，復合襯板在球磨機上實際使用5 600h，耐磨表面基本完好。張炯法等人[30]利用涂覆鑄造技術，在灰鑄鐵表面以WC顆粒增強相/高鉻鑄鐵復合制成耐磨襯板，與球墨鑄鐵、中錳耐磨鑄鐵對比試驗和裝機運行表明，復合材料的耐磨性有較大幅度的提高。祁小群等人[31]采用負壓鑄滲法成功制備出WC顆粒增強高鉻鑄鐵基表面復合材料噴射口襯板，顆粒的體積分數可達52%，界面致密，組織中無夾渣、裂紋等缺陷，耐三體磨料磨損性能是高鉻鑄鐵的5.1倍，襯板的使用壽命是原來的3.5倍。

目前對復合材料襯板的研究還沒有大量報道，其在工業領域的應用還處于初期研究階段，而陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料在輥磨磨輥和磨盤都已有應用，而且取得了良好的效果。復合材料襯板將會得到更多的關注和研究。

2 襯板失效形式分析

表8是對各類磨損失效形式做出的統計[11]，其中以磨料磨損為主。

磨料對耐磨材料的作用有四種微觀機制，如圖1所示[32]。通過大量的試驗和生產實踐發現，磨料磨損除與材料硬度有關，更重要的一個參數是磨料的硬度（Ha）與材料的硬度比（Hm）。材料的磨損體積和相對耐磨性與磨料硬度的關系可分為低磨損區，Ha＜Hm；過渡磨損區，Ha≈Hm；高磨損區，Hm＜0.8Ha三種。Richardson[33]通過實驗得出材料硬度Hm必須＞0.8Ha。研究者[34，35]根據實際生產及實驗結果發現，硬度并非抗磨損的唯一依據，韌性等也是重要因素。Moore M A.[36]從位錯堆積與空穴形成機制提出了剝離理論。Iwasaki I等人[37]提出了材料亞表層裂紋形成及夾雜對裂紋萌生的影響。

除磨料磨損以外，襯板在使用過程中還有腐蝕磨損、變形和斷裂等失效形式，礦山濕磨襯板的使用壽命顯著低于水泥磨機襯板，主要原因是礦山濕磨襯板承受腐蝕磨損[2]。在濕態下，尤其是在腐蝕環境中，同種材料的磨損率是其在干態下的數倍[38]。祖方遒等人[39]認為在濕式球磨機中襯板表面的棱角在磨損過程中不斷形成，特別是材料的硬度和屈服強度偏低時更加嚴重，所以宏觀上腐蝕速率因磨損而增快。襯板的變形失效多見于屈服強度較低的耐磨錳鋼件，例如在較大沖擊工況條件下，錳鋼襯板嚴重的反弓變形可拉斷螺栓或導致襯板間移位脫落，斷裂往往是由于在使用過程中受到了較大的沖擊載荷[33]。

綜上所述，為了應對球磨機襯板磨損等問題，需要研究襯板磨損的成因，并提出相應的處理措施，合理選擇鋼球和襯板、控制好球磨機的運行狀態、采用新材料襯板等，從而減少運行當中的不必要的損耗。

表8 各類磨損失效形式比例[11]

圖1 磨料磨損的四種微觀機制[32]

3 結語

隨著生產技術的不斷發展，襯板的種類也越來越多，生產企業要根據使用工況來確定相應的襯板材料。同時，材料研究者應當在原有材料的基礎上，結合計算材料、相圖計算和有限元模擬等先進手段，研發性能更加優異的襯板材料。