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耐磨材料在疏浚行業的應用討論
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作者:pmof93969
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發布時間: 2042天前
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目前，工程機械主要由鋼鐵材料構成，由于其作業條件、作業對象、使用環境的特殊性，對所用材料的要求除一般的強度、剛度、焊接性能等外，還要求具有耐磨性、耐沖擊性、耐疲勞性、低溫韌性、耐腐蝕性。在工程機械制造過程中，應根據零部件工作的性質與特點正確選用材料，并根據使用條件進行科學的加工，保證工藝過程中材料的金相組織、力學物理性能不發生較大變化，維持材料性能的穩定性，以保證工程機械的使用性能。耐磨材料多用于制造在磨損環境中工作的零部件，因此在性能上要求更為嚴格。
0.引言
近年來國內大型耙吸挖泥船、絞吸挖泥船的發展呈現出迅猛的態勢。針對疏浚土質的多樣性，特別是土質為中粗沙夾礫石時，對疏浚設備磨損加劇，因此對挖泥船的過流設備及輸泥管線的耐磨性能提出了更高的要求。為了減少維修，提高施工效率，對耐磨材料的選用顯然很重要。
1.耐磨材料在挖泥船上的應用現狀
1.1挖泥船上疏浚設備的磨損
挖泥船的磨損經常發生且不可避免，從機具切削吸入泥沙開始，在泥泵的作用下，泥漿通過吸排泥管路到排出的過程，泥沙所到之處磨損無處不在：機具(耙頭、絞刀、斗輪)、吸排泥管線、泥泵過流部件、還有泥門、裝載箱等等。而磨損是一個非常復雜的過程，與磨損過程輸送的泥漿性質、速度和壓力等因素都有關。由于疏浚過程中的介質是泥沙(海)水，不同的泥沙顆粒、濃度、速度及壓力對疏浚設備產生不同的沖擊、帶來不同程度的磨損。通過對多種抗磨材料的沖擊與磨損的研究表明，從早先的白口鑄鐵到如今的高鉻白口鑄鐵都是以其優良的耐磨性能聞名于世。但它屬于脆性材料，加工難度大，應用范圍受限，通常用作泥泵的過流部件如泵膽、葉輪、前后襯板等等。而對輸泥管線，直管選用低碳鋼，磨損嚴重的三通、彎頭等管件多采用35硅錳（ZG35SiMn)或35鉻鉬(ZG35CrMo)。
1.2耐磨材料的應用
1.2.1錳鋼
早先的挖泥船輸泥直管采用普通的低碳鋼，但普通鋼管耐磨及耐蝕性差，使用壽命短，需要頻繁補焊及更換。因此對重要部位采用低合金錳鋼板或內襯鋼板。16錳（16Mn）雖強度大大好于熱軋鋼板(Q235)，但耐磨性差強人意。
高錳鋼如Mn13，具有加工硬化的特性。當受到劇烈沖擊或較大壓力時，會產生表面迅速加工硬化，硬度提高具有高的耐磨性，而心部仍為奧氏體具有良好的韌性，所以常常應用在挖泥機具中，如耙頭的底部襯板等。但在載荷偏小處使用，零件表面不產生硬化特性，而使耐磨性不足，不適合使用。
1.2.2耐磨復合內襯
陶瓷材料具有極高的耐磨性。陶瓷以其高耐磨、高硬度、耐氧化、耐腐蝕等綜合性能被廣泛使用，越來越多的挖泥船的油缸活塞桿表面都采用陶瓷鍍層。
由于傳統碳鋼材料耐磨性能差，使用壽命較短，挖泥船輸泥管線一直在探究選用何種材料、以何種方法延長使用壽命，來降低系統的運行成本，減少檢修和材料消耗。普遍采用的是耐磨陶瓷作為防磨內襯。如在輸泥管道使用陶瓷內襯復合管應是不錯的選擇，可以大大延長管線使用壽命。然而在管道彎頭，因經常有大的石塊沖擊，使用陶瓷內襯，在受到垂直沖擊時，這種脆性材料表面最容易碎裂剝落。此外，由于管線壓力輸送時，陶瓷層難以與外層鋼管發生同步周期性的彈性變形而使內襯易破裂脫落，且成本高，實際效果不理想，所以在挖泥船輸泥管線上未被廣泛應用。
1.2.3特殊熱處理的耐磨鋼板
該類鋼板是通過熱處理方法提高鋼板的硬度來實現其耐磨功能的。它具有可焊性、冷成型及可機加工性特點。
1.2.4雙金屬離心鑄造復合管
繼普通白口鑄鐵之后，高鉻白口鑄鐵因其具有良好的抗磨性能在工業中得到了廣泛應用，直到20世紀末，應用最廣的高鉻鑄鐵是15 Gr-3 Mo型高鉻一鉬白口鑄鐵(含碳量2. 8 % -3%)，這種鑄鐵的特點是Cr/C≥5。進入21世紀，我國不少廠家已經能夠生產含Cr量要求大于18%的高鉻鑄鐵(國外挖泥泵的過流部件多采用23%-30% Cr的高鉻鑄鐵)。
雙金屬離心鑄造復合管是由兩種不同的金屬構成:外層為普通的碳鋼、內層則采用高鉻鑄鐵，通過控制鑄型的旋轉速度、澆注溫度和速度、兩種金屬澆注的間隔時問，采用合適的熱處理工藝，使管層之問在高溫下結合面互熔。離心鑄造的優點是鑄件結晶細密、鑄造缺陷少，機械性能好，結合面牢固，管體內表面光滑平整。由于外層無需預先軋制生產無縫管，雙層金屬一次澆鑄完成，生產成本較低，缺點是厚度誤差略大，近年來已在挖泥船上開始選用。
1.2.5夾套高鉻鑄管夾套高鉻鑄管是一種復合管，主要用于制作一些彎管或三通管等鑄件。它的外層是普通的碳鋼管，內層疊套一個高鉻鑄造管，管與管之問的空隙填充特殊的水泥砂漿。外層碳鋼管可以根據鑄件的形狀特點采用焊接或螺栓連接。一些挖泥船上的彎管、三通四通管都有應用，但其重量較大。
1.2.6碳化鉻堆焊鋼板
堆焊是提高材料耐磨性能的途徑之一。常用的堆焊方法有電弧堆焊、等離了堆焊、激光堆焊[4]等。
碳化鉻堆焊鋼板是在中低碳鋼基板上堆焊一層或多層含有大量碳化鉻硬質顆粒的耐磨合金。要得到高品質的耐磨板必須按高碳高鉻要求來配比各種合金含量，即:C: 4.0%-5.5%， Cr: 28%-40%。有了優良的先天成分，配以合理的冶金熔敷制造工藝，這樣耐磨層的稀釋率低，形成大量六方形碳化物硬質顆粒，微觀硬度高，與基板冶金結合，抗拉強度高，已廣泛使用于疏浚、礦山、水泥、煤電等重磨耗產業并證明其具有極優越的耐磨特性。
目前國內市面上的大多數堆焊板的主要化學成分為C: 2%-3%， Cr: 13%-25%，基板與耐磨層稀釋率較大，表面不平整變形大。除先天的化學成分外，生產過程中的電流、速度等工藝參數直接影響合金的顯微組織和硬質相的形態及分布，對堆焊板成品的綜合力學性能及耐磨性能影響很大。由于國內外對碳化鉻復合板都沒有統一的標準，所以高鉻堆焊耐磨板特性并不是都一樣，市面上有多種不同的產品，其耐磨耗度特性與普通錳鋼板比較分布約在4-25倍之問。由于產品良莠不齊，魚龍混雜，如果選擇不當，往往得不償失，性價比極其不合理。
2.耐磨材料的選用原則
耐磨材料的選用涉及設計、制造、使用、價格等很多實際問題，盲目地追求硬度，除了會使成本提高造成浪費外并不一定能取得理想的效果，所以要根據使用工況、零件的結構設計等因素綜合考慮，即:1)耐磨件的使用環境(溫度、介質等);2)工作條件及受力情況(正負壓、流速、流量、載荷、震動、沖擊等);3)與使用設備的良好匹配性;4)性價比合理。
對一些受力構件，參與結構強度的部件應選擇熱處理的耐磨鋼板以兼顧強度、韌性等。比如泥門的錐面鋼板，既受到泥沙的沖刷磨蝕，又必須承受沖擊及巨大的壓力，考慮裝載過程中受力狀態不同，可選用兼具高強度和塑韌性的耐磨熱處理板。對吸排泥管線，可選用高鉻耐磨鋼板。彎管可采用高鉻耐磨板卷管拼焊的蝦節管，或者采用夾套高鉻鑄管。
另外，耐磨鋼板后續的加工工序必須嚴格按要求進行。因為焊接時熱影響區的組織會發生變化，硬度也會波動，所以耐磨鋼板在卷管及拼焊時都要嚴格按照施工工藝要求實施。對彎管可以采用其他它工藝，如在普通碳鋼彎管內壁采用自動堆焊，這樣就能減少拼接焊縫且流道光順。
設計中可綜合考慮，采用降低泥漿流速，加大彎管的曲率半徑及適當增加厚度等方法。通過合理選用耐磨材料，再輔以降低磨損的措施，就能達到減輕磨損的目的。
3.結語
由于磨損所造成的經濟損失十分驚人，要實現最大化的利潤，就要正確選擇和使用材料、降低磨耗、提高使用的可靠性從而獲得較高的經濟效益。挖泥船上過流部件的選材必須充分考慮疏浚介質的影響，針對其磨損大的特點，從材質的選用環節入手，降低磨損以提高設備的耐用度。隨著科學技術的進步將有更多的新技術、新材料、新工藝應用到挖泥船的疏浚設備中。
0.引言
近年來國內大型耙吸挖泥船、絞吸挖泥船的發展呈現出迅猛的態勢。針對疏浚土質的多樣性，特別是土質為中粗沙夾礫石時，對疏浚設備磨損加劇，因此對挖泥船的過流設備及輸泥管線的耐磨性能提出了更高的要求。為了減少維修，提高施工效率，對耐磨材料的選用顯然很重要。
1.耐磨材料在挖泥船上的應用現狀
1.1挖泥船上疏浚設備的磨損
挖泥船的磨損經常發生且不可避免，從機具切削吸入泥沙開始，在泥泵的作用下，泥漿通過吸排泥管路到排出的過程，泥沙所到之處磨損無處不在：機具(耙頭、絞刀、斗輪)、吸排泥管線、泥泵過流部件、還有泥門、裝載箱等等。而磨損是一個非常復雜的過程，與磨損過程輸送的泥漿性質、速度和壓力等因素都有關。由于疏浚過程中的介質是泥沙(海)水，不同的泥沙顆粒、濃度、速度及壓力對疏浚設備產生不同的沖擊、帶來不同程度的磨損。通過對多種抗磨材料的沖擊與磨損的研究表明，從早先的白口鑄鐵到如今的高鉻白口鑄鐵都是以其優良的耐磨性能聞名于世。但它屬于脆性材料，加工難度大，應用范圍受限，通常用作泥泵的過流部件如泵膽、葉輪、前后襯板等等。而對輸泥管線，直管選用低碳鋼，磨損嚴重的三通、彎頭等管件多采用35硅錳（ZG35SiMn)或35鉻鉬(ZG35CrMo)。
1.2耐磨材料的應用
1.2.1錳鋼
早先的挖泥船輸泥直管采用普通的低碳鋼，但普通鋼管耐磨及耐蝕性差，使用壽命短，需要頻繁補焊及更換。因此對重要部位采用低合金錳鋼板或內襯鋼板。16錳（16Mn）雖強度大大好于熱軋鋼板(Q235)，但耐磨性差強人意。
高錳鋼如Mn13，具有加工硬化的特性。當受到劇烈沖擊或較大壓力時，會產生表面迅速加工硬化，硬度提高具有高的耐磨性，而心部仍為奧氏體具有良好的韌性，所以常常應用在挖泥機具中，如耙頭的底部襯板等。但在載荷偏小處使用，零件表面不產生硬化特性，而使耐磨性不足，不適合使用。
1.2.2耐磨復合內襯
陶瓷材料具有極高的耐磨性。陶瓷以其高耐磨、高硬度、耐氧化、耐腐蝕等綜合性能被廣泛使用，越來越多的挖泥船的油缸活塞桿表面都采用陶瓷鍍層。
由于傳統碳鋼材料耐磨性能差，使用壽命較短，挖泥船輸泥管線一直在探究選用何種材料、以何種方法延長使用壽命，來降低系統的運行成本，減少檢修和材料消耗。普遍采用的是耐磨陶瓷作為防磨內襯。如在輸泥管道使用陶瓷內襯復合管應是不錯的選擇，可以大大延長管線使用壽命。然而在管道彎頭，因經常有大的石塊沖擊，使用陶瓷內襯，在受到垂直沖擊時，這種脆性材料表面最容易碎裂剝落。此外，由于管線壓力輸送時，陶瓷層難以與外層鋼管發生同步周期性的彈性變形而使內襯易破裂脫落，且成本高，實際效果不理想，所以在挖泥船輸泥管線上未被廣泛應用。
1.2.3特殊熱處理的耐磨鋼板
該類鋼板是通過熱處理方法提高鋼板的硬度來實現其耐磨功能的。它具有可焊性、冷成型及可機加工性特點。
1.2.4雙金屬離心鑄造復合管
繼普通白口鑄鐵之后，高鉻白口鑄鐵因其具有良好的抗磨性能在工業中得到了廣泛應用，直到20世紀末，應用最廣的高鉻鑄鐵是15 Gr-3 Mo型高鉻一鉬白口鑄鐵(含碳量2. 8 % -3%)，這種鑄鐵的特點是Cr/C≥5。進入21世紀，我國不少廠家已經能夠生產含Cr量要求大于18%的高鉻鑄鐵(國外挖泥泵的過流部件多采用23%-30% Cr的高鉻鑄鐵)。
雙金屬離心鑄造復合管是由兩種不同的金屬構成:外層為普通的碳鋼、內層則采用高鉻鑄鐵，通過控制鑄型的旋轉速度、澆注溫度和速度、兩種金屬澆注的間隔時問，采用合適的熱處理工藝，使管層之問在高溫下結合面互熔。離心鑄造的優點是鑄件結晶細密、鑄造缺陷少，機械性能好，結合面牢固，管體內表面光滑平整。由于外層無需預先軋制生產無縫管，雙層金屬一次澆鑄完成，生產成本較低，缺點是厚度誤差略大，近年來已在挖泥船上開始選用。
1.2.5夾套高鉻鑄管夾套高鉻鑄管是一種復合管，主要用于制作一些彎管或三通管等鑄件。它的外層是普通的碳鋼管，內層疊套一個高鉻鑄造管，管與管之問的空隙填充特殊的水泥砂漿。外層碳鋼管可以根據鑄件的形狀特點采用焊接或螺栓連接。一些挖泥船上的彎管、三通四通管都有應用，但其重量較大。
1.2.6碳化鉻堆焊鋼板
堆焊是提高材料耐磨性能的途徑之一。常用的堆焊方法有電弧堆焊、等離了堆焊、激光堆焊[4]等。
碳化鉻堆焊鋼板是在中低碳鋼基板上堆焊一層或多層含有大量碳化鉻硬質顆粒的耐磨合金。要得到高品質的耐磨板必須按高碳高鉻要求來配比各種合金含量，即:C: 4.0%-5.5%， Cr: 28%-40%。有了優良的先天成分，配以合理的冶金熔敷制造工藝，這樣耐磨層的稀釋率低，形成大量六方形碳化物硬質顆粒，微觀硬度高，與基板冶金結合，抗拉強度高，已廣泛使用于疏浚、礦山、水泥、煤電等重磨耗產業并證明其具有極優越的耐磨特性。
目前國內市面上的大多數堆焊板的主要化學成分為C: 2%-3%， Cr: 13%-25%，基板與耐磨層稀釋率較大，表面不平整變形大。除先天的化學成分外，生產過程中的電流、速度等工藝參數直接影響合金的顯微組織和硬質相的形態及分布，對堆焊板成品的綜合力學性能及耐磨性能影響很大。由于國內外對碳化鉻復合板都沒有統一的標準，所以高鉻堆焊耐磨板特性并不是都一樣，市面上有多種不同的產品，其耐磨耗度特性與普通錳鋼板比較分布約在4-25倍之問。由于產品良莠不齊，魚龍混雜，如果選擇不當，往往得不償失，性價比極其不合理。
2.耐磨材料的選用原則
耐磨材料的選用涉及設計、制造、使用、價格等很多實際問題，盲目地追求硬度，除了會使成本提高造成浪費外并不一定能取得理想的效果，所以要根據使用工況、零件的結構設計等因素綜合考慮，即:1)耐磨件的使用環境(溫度、介質等);2)工作條件及受力情況(正負壓、流速、流量、載荷、震動、沖擊等);3)與使用設備的良好匹配性;4)性價比合理。
對一些受力構件，參與結構強度的部件應選擇熱處理的耐磨鋼板以兼顧強度、韌性等。比如泥門的錐面鋼板，既受到泥沙的沖刷磨蝕，又必須承受沖擊及巨大的壓力，考慮裝載過程中受力狀態不同，可選用兼具高強度和塑韌性的耐磨熱處理板。對吸排泥管線，可選用高鉻耐磨鋼板。彎管可采用高鉻耐磨板卷管拼焊的蝦節管，或者采用夾套高鉻鑄管。
另外，耐磨鋼板后續的加工工序必須嚴格按要求進行。因為焊接時熱影響區的組織會發生變化，硬度也會波動，所以耐磨鋼板在卷管及拼焊時都要嚴格按照施工工藝要求實施。對彎管可以采用其他它工藝，如在普通碳鋼彎管內壁采用自動堆焊，這樣就能減少拼接焊縫且流道光順。
設計中可綜合考慮，采用降低泥漿流速，加大彎管的曲率半徑及適當增加厚度等方法。通過合理選用耐磨材料，再輔以降低磨損的措施，就能達到減輕磨損的目的。
3.結語
由于磨損所造成的經濟損失十分驚人，要實現最大化的利潤，就要正確選擇和使用材料、降低磨耗、提高使用的可靠性從而獲得較高的經濟效益。挖泥船上過流部件的選材必須充分考慮疏浚介質的影響，針對其磨損大的特點，從材質的選用環節入手，降低磨損以提高設備的耐用度。隨著科學技術的進步將有更多的新技術、新材料、新工藝應用到挖泥船的疏浚設備中。
