机械磨损涉及的方面很多，其中磨料磨损占全部工业磨损的50%以上。德国、英国等国家每年因磨料磨损而造成的损失达数十亿美元，澳大利亚的矿产业每年因磨料磨损的损失占矿产品销售额的2%。而磨料磨损中，球磨机衬板的磨损占了相当比重。解决途径有两个方面：一是从材料方面来提高材料的耐磨性；二是从工艺方面来改善磨损的环境。研究主要从材料方面来阐述。
传统材料ZGMn13用作球磨机
ZGMn13属高锰钢，是由英国人Hadfild于1882年发明的，它是在钢中加入13%左右的Mn元素，利用Mn元素使钢S曲线的“鼻尖”右移及Ms、Mf线下移的特性，通过1000~1050℃长时间保温后强制冷却而获得的全奥氏体组织，这种全奥氏体组织具有加工硬化的性能。它用作球磨机衬板，旨在通过磨球及磨料对衬板的撞击来达到其加工硬化的效果。然而，在球磨机的工作过程中，磨球及磨料随着筒体的转动而被带到高处后呈瀑布状抛下。从高处泻落的磨球和磨料只对料堆根部的磨球及磨料进行直接冲击，而对衬板则是通过磨球及磨料堆积层进行间接冲击，这样，冲击的强度较小，加工硬化的效果不显著。实践证明，在电厂的磨煤机中，奥氏体高锰钢加工硬化的硬度在HB230~250之间，在选矿厂的磨机中也不会超过HB300，远远达不到高锰钢的加工硬化极限HB500的水平。所以，用高锰钢来制造球磨机衬板因其不能发挥高锰钢的耐磨特性是不恰当的。
衬板材料的发展状况
鉴于ZGMn13材料在球磨机衬板上应用的不恰当，世界冶铸工作者从20世纪60年代开始研究新型的衬板材料，取得了很多成果。
（1）ZGMn13的新发展
研究者们通过向ZGMn13中加入Cr、Mo、V等元素，形成稳定的弥散分布的粒状、岛状高硬合金碳化物(FeCr)3C、VC等，阻碍水韧处理时奥氏体晶粒长大，得到弥散分布着碳化物硬质点的奥氏体组织，从而提高了材料的加工硬化能力和硬化效果。
美国在普通高锰钢中加入1.5%~2.5%的Cr生产牌号为C的标准铸造高锰钢；加入0.9%~1.2%或1.8%~2.1%的Mo生产牌号为E-1、E-2的标准铸造高锰钢。
日本在普通高锰钢中加入1.5%~2.5%的Cr生产牌号为SCMnH11的标准铸造高锰钢，加入2.0%~3.0%的Cr和0.4%~0.7%的V生产牌号为SCMnH12的标准铸造高锰钢。内蒙古铸锻厂铸造研究所研制出含1.5%~2.5%Cr的含铬高锰钢，并用RE对钢水进行变质处理。这种含铬高锰钢表层(0.01mm)在球磨机中加工硬化硬度可达HB390，是普通高锰钢的1.5倍，其工作寿命是普通高锰钢的1.5~2倍。
（2）合金白口铁
①15Cr-3Mo白口铁及其发展。高锰钢衬板替代材料最具代表性的就是含15%Cr 3%Mo的马氏体白口铁。这种材料是在马氏体基体中分布着不连续的共晶铁铬碳化物(Cr，Fe)7C3和富铬的二次碳化物，碳化物的体积约占总体积的40%~50%。这些铬的碳化物有着很高的硬度，均在HV1200~1800以上，足以抵抗一般磨料的磨损，然而，马氏体基体的硬度在HRC50上下，软于某些磨料的硬度，将被磨损，其上的碳化物可能被挖下来，因此，碳化物突出的抗磨性只有部分被利用。哈尔滨工业大学在改善15Cr-3Mo高铬白口铁性能方面也作了大量的工作，他们采用K、Na、Mg、Ca的盐类和合金对15Cr-3Mo铸铁进行喷射变质处理，消除了碳化物的原网状分布状态，使之呈蠕虫状或团块状分布，而且碳化物尺寸有所减少，这样就大大提高了材料的韧性和抗磨性。研究指出，经不同变质元素处理的15Cr-3Mo高铬白口铁的磨损量都较未变质的低，其中以钾变质的15Cr-3Mo高铬白口铁，其平均磨损量比未变质处理的低63.2%，而最佳方案的磨损量比未变质处理的低74.4%。
②含Cu合金白口铁。山东新汶工具厂研制成功的这种合金白口铁，通过炉前加入1.0%Cu和0.9%的稀土硅铁合金变质和孕育，而后进行950℃正火及600℃回火处理，得到弥散、细小、均匀分布的碳化物。装机试验表明，在L1.83m×6.4m水泥磨机中稀土含Cu合金白口铁衬板与高锰钢衬板的相对耐磨性是2.4。
（3）中低合金钢
尽管采用加入某些合金元素的高锰钢或合金白口铁球磨机衬板比普通高锰钢衬板的抗磨性有很大提高，但是，这些材料因含有大量的Cr、Ni、Mo等贵重金属而使成本增加，并且在生产和使用过程中容易产生裂纹，甚至破碎。基于这些原因，我国冶铸工作者从我国的国情出发，开始了用中低合金钢来制作球磨机衬板的研究，并取得了可喜的成果。
①Cr、Mo、Cu中碳低合金耐磨钢。由沈阳工业大学研究的含Cr、Mo、Cu并辅以RE处理的中碳低合金耐磨钢，经950℃空淬和250℃回火后，硬度达到HRC50以上，冲击值为25~60J/cm2。其基体为回火马氏体，经扫描电镜观察为一束束板状马氏体组织。在透射高倍观察下，可清楚地看到其组织为位错马氏体与少量孪晶马氏体的混合物，且在马氏体板条间有不连续薄膜状残余奥氏体分布，这种形状和分布的奥氏体改善了钢的冲击韧性和相对耐磨性。这种钢在不同冲击功下的耐磨性与高锰钢形成了鲜明的对比。
如图《冲击功与耐磨性的关系》所示，随着冲击功的增加，高锰钢的耐冲击磨损性能明显提高，而新研究的Cr、Mo、Cu钢的耐磨性能却是下降。但在对比试验选取的各冲击功条件下，新钢种的耐磨性均高于高锰钢。经河北迁安县铁矿在L1.83m×3m球磨机上使用，这种材料的衬板寿命达到了10~12个月，而ZGMn13衬板的寿命仅为3~5个月。
②Cr-Mo-V-Ti中碳多元合金钢。合肥水泥研究设计院研究的含Cr、Mo及微量V、Ti、Nb的中碳多元合金钢，用RE处理及一定的热处理后得到弥散分布着碳化物硬质相的回火马氏体 少量下贝氏体基体。试验表明，这种组织的衬板硬度高，抗磨料磨损性好，且有较高的冲击韧性和抗弯强度，寿命是普通高锰钢的3倍以上。在淮海水泥
厂L4.2m×12m、昆明水泥厂L3.5m×11m、四川渡口水泥厂L2.2m×13m等磨机上使用，一仓平均磨损率为3.16g/t，二仓平均磨损率为1.53g/t；而高锰钢衬板的平均磨损率为13g/t水泥。
③高碳中铬合金钢。由合肥水泥研究设计院研究的另一种含4.5%~5.5%Cr、0.3%~0.7%Mo，并用RE孕育处理的高碳中铬合金钢衬板在水泥球磨机上应用也很成功。
④Cr-Ti中锰钢。生产的含Mn5.5%~8.0%，Cr1.5%~2.0%，Ti0.05%~0.1%并用0.02%~0.05%RE处理的中锰钢，通过1100±30℃的水淬处理，获得了晶粒比普通高锰钢进一步细化的单一奥氏体组织。这种材料的衬板应用于通化钢厂板石沟铁矿及通化铜矿球磨机上取得了较好的效果，在粉磨磁铁矿时其相对耐磨性是高锰钢的1.64倍；在粉磨铜矿石时其相对耐磨性是高锰钢的1.48倍。这种材料耐磨性提高的主要原因在于它在球磨机中比普通高锰钢有更好的加工硬化性能，见表1。
⑤Cr-Mo多相低合金钢。研究的含3%Cr及0.4%Mo的多相低合金耐磨钢衬板，经等淬热处理得到贝氏体 马氏体 残余奥氏体组织。该材料具有高韧性，高硬度，从而具有良好抗冲击、抗疲劳、抗变形、抗磨损等特性。这种衬板经现场应用表明，使用寿命比普通高锰钢提高1~2倍。
衬板材料应具备的组织和性能
对以上所列举的各种衬板材料的组织和性能进行分析，不难看出，作为球磨机衬板材料应具备以下特性：
（1）足够的韧性。韧性好的衬板，能减少破裂的可能性。有人认为，在直径4m以下的小型球磨机中，衬板的冲击韧性只要能达到ak=6~8J/cm2即可使用。但是，为了减少因衬板被打碎而造成非磨损失效的损失，笔者以为，衬板材料10mm×10mm×5mm无缺口试样的冲击韧性宜大于12J/cm2。
（2）较高的硬度。研究指出，材料经磨损后的硬度达到磨料硬度的0.8倍以后，提高材料的硬度就能够提高材料的耐磨性。因此，衬板材料的硬度应大于HRC50，然而，过高的硬度又可能会导致材料的脆性增加，所以建议硬度不宜超过HRC54。
（3）理想的组织。理想的组织应包括：高硬度的合金碳化物及碳化物团球化，在金属材料中，常常以加入某些碳化物形成元素来获得高硬度的合金碳化物，这是一条提高材料耐磨性的有效途径。这是由于碳化物在基体中均匀分布，减少了碳化物周围的应力集中，使裂纹萌生的机会少，避免碳化物的剥落，同时，团球状碳化物能够阻断犁削磨损，减少犁沟深度和长度，从而保护基体。因此，要求使材料中合金碳化物团球化并均匀分布。强韧的基体，高硬的合金碳化物需要有强韧的基体来支撑，否则，合金碳化物就很容易剥落，材料的耐磨性就将大大削弱。马氏体 下贝氏体就是非常优秀的基体组织，少量的残余奥氏体的存在又减少了热处理的应力，提高了材料的韧性，降低了生产和使用过程中裂纹产生的可能性。
研究结论
（1）普通高锰钢ZGMn13用作球磨机衬板是不恰当的。因为在球磨机中衬板的加工硬化程度较低，不能很好地发挥高锰钢的耐磨特性。
（2）衬板材料经过普通高锰钢、强化高锰钢、合金白口铁等阶段后，中低合金钢衬板得到了很好的发展。
（3）中低合金钢衬板材料中加入的合金元素主要有Cr、Mo、V、Ti等，旨在通过它们细化晶粒，促进产生马氏体，生成高硬碳化物；且常常辅以RE孕育及适当的热处理，形成强韧的马氏体 下贝氏体上均匀分布着高硬的合金碳化物团球组织。实践证明，这种组织的材料用作球磨机衬板是非常优秀的。
（4）为了减少衬板生产及使用过程中的非磨损失效的损失，在保证材料ak=6~8J/cm2的前提下，应力求使硬度控制在HRC50~54之间。
