1、金屬耐磨材料
1)中高碳合金鋼中高碳合金鋼包括以42CrMo為代表的超高強(qiáng)度鋼，以GCr15為代表的軸承鋼，以38CrMoAl為代表的氮化鋼和以9Cr6W3M02V2為代表的冷作模具鋼。
42CrMo屬于超高強(qiáng)度鋼，具有高強(qiáng)度和良好的韌性，淬透性也較好，無明顯的回火脆性，感應(yīng)淬火，表面硬度可達(dá)到HRC52，調(diào)質(zhì)后滲氮，表面硬度可達(dá)到HRC58左右，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好。
GCr15是一種合金含量較少、具有良好性能的高碳鉻軸承鋼。經(jīng)過淬火加回火后具有高而均勻的硬度，其表面硬度可達(dá)到HRC56左右，碳氮共滲后表面硬度可達(dá)HRC61左右，具有良好的耐磨性、高的接觸疲勞性能。該鋼冷加工塑性中等，切削性能一般，焊接性能差，有回火脆性。
38CrMoAl是專用氮化鋼，具有高的表面硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，并具有良好的耐熱性及耐腐蝕性038CrMoAl氮化速度較快，氮化后的表面硬度可以達(dá)到HRC62左右，可以得到較深的氮化層深度，但氮化層的脆性相對較大。因此適合于制作高耐磨性、高疲勞強(qiáng)度的氮化零件，不適合制作如磨盤、輥輪等受沖擊較大的部件。
9Cr6W3M02V2簡禰GM鋼，屬于高耐磨、高強(qiáng)韌的冷作模具鋼。此類鋼中碳和鉻的含量相對較低，改善了碳化物的不均勻性，提高了韌性；適當(dāng)增加了w、Mo、V等合金元素的含量，從而增強(qiáng)了二次硬化能力（硬度可達(dá)HRC61左右）和磨損抗力。所以，此類鋼在具有良好的強(qiáng)韌性的同時，還有優(yōu)良的耐磨性和較好的綜合性能。
中高碳合金鋼的優(yōu)點是強(qiáng)度高，經(jīng)過調(diào)質(zhì)及滲碳、滲氮處理后，表面硬度一般都可以達(dá)到HRC60左右，硬度較高，具有良好的耐磨性。其缺點是加工性能較差，一般熱處理后韌性較差，因此中高碳合金鋼適合于制作主要磨損部位的耐磨部件，如成型管的襯套套管等，可以較好地改善成型設(shè)備的耐磨性，在使用中應(yīng)該注意成型模具的設(shè)計，避免其受到直接的沖擊。
2)不銹鋼
在解決生物質(zhì)顆粒燃料成型設(shè)備的磨損問題中，不銹鋼的使用收到了較好的效果。使用較好的不銹鋼以4Cr13為代表，屬馬氏體不銹鋼，因含碳較高，故具有較高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。典型的加工工藝為數(shù)控槍鉆機(jī)床鉆孔和真空氣淬爐熱處理（氮氣冷卻），回火后表面硬度可以達(dá)到HRC58左右，心部硬度可以達(dá)到HRC52。
不銹鋼經(jīng)過熱處理后，具有較好的綜合性能。與低合金鋼和中高碳合金鋼作比較，低合金耐磨鋼雖然韌性較好，易加工，耐腐蝕，耐沖擊，但其缺點是熱處理后硬度較低，耐磨性能相對一般；中高碳合金鋼雖然硬度高，耐磨性能好，但其加工性能一般，韌性較差，不耐沖擊，易發(fā)生開裂；不銹鋼則綜合了兩者的優(yōu)點，韌性好，耐腐蝕，易加工，熱處理后其硬度與耐磨性均較好，收到了較好的使用效果。缺點是價格較高，初期成本較高，但由于其使用修復(fù)周期較長，平均到生產(chǎn)使用的噸成本里，價格反而較低。因此高鉻不銹鋼的推廣應(yīng)用，可以在很大程度上改善成型設(shè)備的快速磨損問題。但要想從根本上改變生物質(zhì)顆粒燃料成型設(shè)備的快速磨損現(xiàn)狀，還是應(yīng)該從高耐磨的非金屬材料人手。常用的幾種金屬材料的性能見表6.8。
2、非金屬耐磨材料
高硬度非金屬耐磨材料中，主要以陶瓷耐磨材料為主。20世紀(jì)后期隨著許多新技術(shù)的興起，人們對材料結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系有了深刻認(rèn)識。通過控制材料的化學(xué)成分和微觀組織結(jié)構(gòu)，研制出了許多具有不同性能的陶瓷材料。這些陶瓷材料的強(qiáng)度比普通金屬材料要高許多倍，而且其本身具備的優(yōu)異的耐磨、耐高溫、耐腐蝕等特性，使其在許多重要領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
1)陶瓷材料的基本力學(xué)性能
陶瓷材料是用天然或合成化合物經(jīng)過成形和高溫?zé)Y(jié)制成的一類無機(jī)非金屬材料。常用的陶瓷材料主要包括金屬與硼、碳、硅、氮、氧等非金屬元素組成的化合物，以及非金屬元素所組成的化合物，如硼和硅的碳化物和氮化物等，陶瓷材料的力學(xué)強(qiáng)度很高，且在高溫下的衰退很小，而且還具有抗氧化和耐腐蝕性能。因為陶瓷材料的原子鍵主要有共價鍵和離子鍵兩大類，且多數(shù)具有雙重性，與金屬或合金的金屬鍵結(jié)合力有本質(zhì)區(qū)別，因此，陶瓷材料的力學(xué)性能與金屬或合金的力學(xué)性能存在很大差別。共價鍵晶體結(jié)構(gòu)的主要特點是鍵具有方向性。它使晶體擁有較高的抗晶格畸變和阻礙位錯運動的能力，使共價鍵陶瓷具有比金屬高得多的硬度和彈性模量。離子鍵晶體結(jié)構(gòu)的鍵方向性不明顯，但滑移系不僅要受到密排面與密排方向的限制，而且還要受到靜電作用力的限制，因此，實際可動滑移系較少，其彈性模量也較高。
陶瓷的兩種結(jié)合鍵在室溫下的塑性有限，因而其延展性低于金屬。盡管陶瓷接觸表面之間也存在共價鍵、離子鍵或范德華力引起的黏著力，但因其實際接觸面積很小，故摩擦因數(shù)低于空氣中的金屬滑動。陶瓷的摩擦主要受斷裂韌度的影響。陶瓷的斷裂韌度增大時，摩擦因數(shù)隨之降低。載荷、滑動速度、溫度和實驗持續(xù)時間影響陶瓷的摩擦性能，這通常是表面摩擦化學(xué)膜和接觸區(qū)斷裂程度的變化所致。另外，載荷和滑動速度影響摩擦能量的耗散率和接觸界面的溫度也是一種原因。
2)常用的陶瓷耐磨材料
A．氧化鋁（Al203）陶瓷氧化鋁為白色結(jié)晶性粉末，密度3. 97 g/cm3。氧化鋁陶瓷又稱為剛玉，一般以a—Al2 03為主晶相，晶格中，氧離子為六方緊密堆積，鋁離子對稱地分布在氧離子圍成的八面體配位中心，晶格能很大，故熔點、沸點很高。根據(jù)氧化鋁含量和添加劑的不同，有不同系列。
氧化鋁陶瓷與大多數(shù)熔融金屬不發(fā)生反應(yīng)，只有Mg、Ca.、Zr和Ti在一定溫度以上對糞有還原作用；熱的硫酸能溶解氧化鋁，熱的HC1、HF對其也有一定腐蝕作、用！氧化鋁陶瓷的蒸氣壓和分解壓都是最小的。由于氧化鋁陶瓷優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，司廣泛地用于耐酸泵葉輪、泵體、泵蓋、軸套，輸送酸的管道內(nèi)襯和閥門等。
氧化鋁陶瓷的優(yōu)點是化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高，其莫氏硬度可以達(dá)到9，價格也相對便宜，因此得到廣泛使用。缺點是韌性較差。
B．氧化鋯(2r02)陶瓷
純凈的氧化鋯是白色固體，含有雜質(zhì)時會顯現(xiàn)灰色或淡黃色。純氧化鋯的相對分子質(zhì)量為123. 22，理論密度是5.89g/cm3，熔點為2715℃。氧化鋯有三種晶體形態(tài)：單斜、四方、立方晶相。常溫下氧化鋯只以單斜相出現(xiàn)，加熱到1100℃左右轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较�，加熱到更高溫度會轉(zhuǎn)化為立方相。
氧化鋯的優(yōu)點是硬度較高，莫氏硬度7.5，比熱與導(dǎo)熱系數(shù)小，高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性好，斷裂韌性較好，抗熱震性能較好。有時和氧化鋁陶瓷一起燒結(jié)以改善氧化鋁陶瓷的韌性。價格比氧化鋁陶瓷要高一些。
C．氮化硅(Si3 N4)陶瓷
氮化硅呈灰色、白色或灰白色。六方晶系。晶體呈六面體。密度3. 44g/cm3。氮化硅陶瓷制品的生產(chǎn)方法有兩種，即反應(yīng)燒結(jié)法和熱壓燒結(jié)法。通常熱壓燒結(jié)法制得的產(chǎn)品比反應(yīng)燒結(jié)制得的產(chǎn)品密度高，性能好。
氮化硅的強(qiáng)度很高，尤其是熱壓氮化硅，莫氏硬度可以達(dá)到9～9.5，是世界上最堅硬的物質(zhì)之一。它極耐高溫，強(qiáng)度一直可以維持到1200℃的高溫而不下降，受熱后不會熔成液體，一直到1900℃才會分解，并有驚人的耐化學(xué)腐蝕性能，能耐幾乎所有的無機(jī)酸和30%以下的燒堿溶液，也能耐很多有機(jī)酸的腐蝕；同時又是一種高性能電絕緣材料。氮化硅陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)小，具有較好的抗熱震性能；在陶瓷材料中，氮化硅的彎曲強(qiáng)度比較高，硬度也很高，同時具有自潤滑性，摩擦系數(shù)小，與加油的金屬表面相似，作為機(jī)械耐磨材料使用具有較大的潛力。
D．金屬陶瓷
金屬陶瓷是由陶瓷和黏接金屬組成的非均質(zhì)的復(fù)合材料。陶瓷主要是氧化鋁、氧化鋯等耐高溫氧化物或它們的固溶體，黏接金屬主要是鉻、鉬、鎢、鈦等高熔點金屬。將陶瓷和黏接金屬研磨混合均勻，成型后在不活潑氣氛中燒結(jié)，就可制得金屬陶瓷。金屬陶瓷兼有金屬和陶瓷的優(yōu)點，它密度小、硬度高、耐磨、導(dǎo)熱性好，不會因為驟冷或驟熱而脆裂。金屬陶瓷既具有金屬的韌性、高導(dǎo)熱性和良好的熱穩(wěn)定性，又具有陶瓷的耐高溫、耐腐蝕和耐磨損等特性。缺點是價格較高。
常用陶瓷耐磨材料的耐磨性能見下表：
| 性能 | 氧化鋁 | 氧化鋯 | 金屬陶瓷 | 氧化硅 |
| 抗熱振性 | 差 | 差 | 好 | 好 |
| 抗熱應(yīng)力 | 差 | 差 | 好 | 好 |
| 機(jī)械韌性 | 差 | 中 | 好 | 中 |
| 加工性能 | 中 | 差 | 中 | 好 |
| 耐磨性 | 好 | 好 | 好 | 好 |
| 耐腐蝕性 | 好 | 好 | 中 | 好 |
陶瓷耐磨材料在生物質(zhì)顆粒燃料成型設(shè)備上的應(yīng)用目前還處于初試階段，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)分別在活塞沖壓式成型顆粒機(jī)和平模式成型顆粒機(jī)上對陶瓷耐磨材料的使用進(jìn)行了實驗，收到了良好的效果。
A．陶瓷耐磨材料在活塞沖壓式成型設(shè)備上的應(yīng)用
河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的液壓驅(qū)動活塞沖壓式成型顆粒機(jī)，生物質(zhì)物料由料倉口進(jìn)入，在經(jīng)過預(yù)壓縮后，壓人成型管，在外部加熱以及活塞的擠壓作用下，物料在成型管內(nèi)被擠壓成型。這時由于成型壓力巨大，成型管磨損嚴(yán)重，我們將成型管進(jìn)行重新設(shè)計，將其磨損劇烈的收縮段采用氧化鋁陶瓷耐磨材料代替，并用花生殼為原料進(jìn)行了100h的壓縮成型對比實驗，對比參照端為30CrMo合金鋼，內(nèi)孔滲碳，并做高頻表面淬火。在經(jīng)歷了100h的對比實驗后，合金鋼管端成型管人口處端面平均磨損深度近1mm，而陶瓷管端未見明顯磨損，可見陶瓷耐磨材料比普通金屬耐磨材料有著較強(qiáng)的抗磨損性。
B.陶瓷管在平模式成型設(shè)備上的應(yīng)用
河南農(nóng)業(yè)大學(xué)與某廠聯(lián)合研制的平模式成型顆粒機(jī)，在平模的模盤上嵌入氧化鋁陶瓷襯管作為其成型孔，由于氧化鋁陶瓷的高耐磨性，有效地解決了平模式成型設(shè)備模盤成型孔的磨損問題。
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