摘要：复合材料融合了多种材料的优异特点，包括高强度、高硬度、出色的耐磨性、抗腐蚀性和良好的韧性等，为解决轧钢机械耐磨部件的挑战开辟了新的路径。因此，对新型复合材料在轧钢机械耐磨部件中的应用及其使用寿命进行深入研究，具有较高的现实价值。借助先进的制造技术，如3D打印或精密铸造工艺，能够改进复合材料部件的结构设计，进而提升其综合性能。此外，还需评估复合材料的成本与效益关系，确保其在大规模推广中的经济实用性。这些研究方向将为复合材料在轧钢机械领域的深入应用提供支持，并助力行业实现更高的生产效率与更低的维护成本。

　　关键词：新型复合材料；轧钢机械；耐磨部件；寿命评估

　　在钢铁生产中，轧钢机械是极其重要的设施设备，其耐磨部件的性能直接关乎生产效率、产品品质和成本控制。在持续的作业环境中，这些耐磨部件常暴露于高温、高压、剧烈摩擦及强腐蚀的严苛环境中，而由传统材料制造的耐磨部件往往难以适应挑战，常出现磨损、腐蚀、疲劳等问题，从而引发设备故障，增加维护成本，降低生产效率[1]。基于此，文章深入探讨新型复合材料的特征及优势，以及在轧钢机械耐磨部件中的应用，以期为行业发展提供参考。

　　1轧钢机械耐磨部件分析

　　1.1工作环境

　　轧钢机械耐磨部件的工作环境极其恶劣，生产过程中需要承受来自轧制的巨大压力和冲击，尤其是在粗轧机进行咬钢和抛钢时，导卫键等部件会受到剧烈的瞬间冲击。此外，高温也是这些部件面临的一个挑战，由于在轧制前，钢坯需要被加热至高温，这会导致部件周围的温度显著升高。为了冷却钢坯和设备，大量的冷却水会被喷射到工作区域，不仅会导致部件表面腐蚀和氧化，而且水中携带的氧化铁粉末等杂质还会进一步加剧部件的磨损[2]。

　　1.2传统材料局限性

　　在轧钢机械的严苛工作条件下，普通钢材等传统耐磨材料暴露出明显的局限性，在持续的磨损和冲击中，其表面耐磨性不足，容易产生磨损，进而影响轧制产品的尺寸精度和品质。同时，普通钢材的耐腐蚀性能也相对较弱，在冷却水和氧化铁皮的侵蚀下，容易发生锈蚀，显著缩短部件的使用寿命。此外，传统材料在韧性和强度上的平衡性较差，当面临强烈的冲击时，容易出现断裂或变形，不仅增加了设备的维护成本，还延长了停机时间。

　　2新型复合材料的种类及特征

　　2.1种类

　　2.1.1金属基复合材料

　　金属基复合材料是以金属为基体，加入增强相（如陶瓷颗粒、纤维等）制成的复合材料。这种复合材料结合了金属的良好韧性和增强相的高硬度、高耐磨性等优点，在轧钢机械耐磨部件中具有广阔的应用前景。

　　2.1.2陶瓷基复合材料

　　陶瓷基复合材料以陶瓷为基体，通过添加纤维、晶须等增强体来改善其韧性和强度。陶瓷材料本身具有高硬度、高耐磨性和良好的耐高温性能，但韧性较差，通过增强体的加入可以在一定程度上克服这一缺点，使其更适合在轧钢机械的恶劣环境中使用

　　2.1.3高分子复合材料

　　高分子复合材料是由高分子基体和各种添加剂组成的材料，具有良好的化学稳定性、耐磨性和自润滑性能，能够有效减少部件之间的摩擦和磨损。同时，高分子复合材料还具有一定的弹性和韧性，能够吸收冲击能量，降低部件的损坏风险。

　　2.2特性

　　2.2.1高强度和高硬度

　　新型复合材料通过合理的材料设计和制备工艺，能够获得较高的强度和硬度，使其能够承受较大的轧制力和冲击力，减少部件的变形和磨损。

　　2.2.2良好的耐磨性

　　复合材料中的增强相或特殊成分能够有效地抵抗磨损，降低磨损率，延长部件的使用寿命。例如，陶瓷颗粒增强的金属基复合材料，陶瓷颗粒能够在摩擦过程中起到支撑和保护基体的作用，提高材料的耐磨性能。

　　2.2.3抗腐蚀性

　　一些新型复合材料具有良好的化学稳定性，能够抵抗冷却水、氧化铁皮等化学物质的侵蚀，在腐蚀环境中保持较好的性能。高分子复合材料通常具有较好的耐腐蚀性，可以有效防止部件表面生锈和腐蚀。

　　2.2.4良好的韧性

　　部分新型复合材料在具备高强度和硬度的同时，还具有一定的韧性，能够吸收冲击能量，减少部件在冲击载荷下的损坏。这对于承受瞬间冲击力较大的轧钢机械耐磨部件尤为重要。

　　3新型复合材料在导卫键中的应用

　　3.1导卫键的现状及问题

　　导卫键作为粗轧R1、R2轧机出入口导卫装置的关键部分，承担着引导和支撑轧件进出轧机的职责，对保障轧制过程的稳定至关重要。导卫键在高温、高摩擦和反复冲击的工作环境中运行，对其耐磨性、强度和韧性提出了较高要求。

　　常规的导卫装置一般是由均质金属打造而成，在轧制操作中面临不小的挑战。例如，在导卫装置的提升过程中，由于其前端固定于工作辊的防护板上，易产生一个使上导卫装置外侧和下导卫装置内侧发生不均匀磨损的翻转力矩，这个翻转力矩会逐渐扩大导卫前端与防护板之间的间隙。加之恶劣的轧机工作环境，氧化铁皮和水分容易附着在导卫装置的两侧[3]，又由于原始导卫结构中润滑油孔的设计不合理，常导致润滑油管（软管）在上下移动过程中被拉断，使得接触面缺乏必要的润滑，从而加速导卫装置的磨损，这就进一步加剧了与防护板间隙的扩大。若该间隙增长至一定程度，导卫装置将无法有效钩住防护板，进而发生剧烈上冲，导致严重的事故并迫使生产线停机。另外，更换导卫装置是一项极其费时费力的工作，每个导卫装置都镶嵌在牌坊的键槽中，键与键槽之间为过盈配合，并且装置嵌入牌坊的深度较大，其固定采用的长螺柱连接方式使得螺母容易锈蚀，拆卸时需使用氧割枪逐步将装置熔化，这一过程耗时较长，通常只能在年度检修期间进行。

　　3.2新型复合材料导卫键的设计与改造

　　3.2.1材料选择

　　针对传统导卫键存在的问题，选用新型复合材料对导卫键进行改造。将原来导卫键为一单独实体零件改成两侧（工作面）带滑板的复合件，滑板材质采用3Cr13。3Cr13具有较高的耐腐蚀性，能够抵抗氧化铁皮和水的侵蚀，减少导卫键表面的腐蚀和磨损。滑板本体调质处理，硬度达到HB241~286，接触表面淬火处理，硬度达到HRC53~58，提高了滑板的耐磨性，使其能够更好地承受摩擦和冲击。

　　3.2.2润滑系统改进

　　把原来移动润滑点改成固定润滑点，在导卫键本体钻深孔与滑板背面的油槽组成润滑油通路。这样可以确保滑动面有充足的润滑，减少导卫键与其他部件之间的摩擦系数，降低磨损率。即使在导卫上下移动过程中，也能保证润滑油的正常供应，避免因润滑不足而导致的磨损加剧问题[4]。

　　3.2.3安装方式优化

　　为了更换滑板快捷方便，滑板的安装采用对穿螺栓，装紧螺栓后直接用电焊将螺母焊死。这种安装方式可以防止螺丝脱出卡在滑槽处，同时在需要更换滑板时，只需拆除焊接点，即可快速更换滑板，大幅缩短了更换时间，提高了设备的维修效率。

　　4影响新型复合材料耐磨部件寿命的因素

　　4.1材料因素

　　4.1.1材料成分

　　材料的成分直接影响新型复合材料的性能和寿命。不同的材料成分组合会赋予复合材料不同的特性，如增强相的种类、含量和分布等对材料的强度、硬度和耐磨性有重要影响。例如，在金属基复合材料中，增强相的含量过高可能会导致材料的韧性下降，容易发生脆性断裂；而含量过低则可能无法充分发挥增强相的作用，降低材料的耐磨性能。

　　4.1.2材料制备工艺

　　材料的制备工艺对新型复合材料的微观结构和性能有显著影响。合适的制备工艺可以使材料的组织均匀、致密，提高材料的性能和质量。如果制备工艺不当，可能会导致材料中存在气孔、杂质等缺陷，降低材料的强度和韧性，从而影响部件的寿命。例如，在陶瓷基复合材料的制备过程中，烧结工艺的参数控制不当可能会导致陶瓷基体的晶粒粗大，降低材料的硬度和耐磨性。

　　4.2工况因素

　　4.2.1载荷大小和频率

　　耐磨部件所承受的载荷大小和频率是影响其寿命的重要因素。高载荷和频繁的冲击载荷会加速部件的磨损和疲劳破坏。在轧钢机械中，不同的轧制工艺和钢坯规格会导致耐磨部件承受的载荷不同。例如，轧制大型钢坯时，导卫键等部件需要承受更大的轧制力和冲击力，其磨损速度会更快。

　　4.2.2工作温度

　　工作温度的变化会影响新型复合材料的性能和寿命。高温环境可能会导致材料的硬度下降、强度降低，加速材料的磨损和氧化。同时，温度的变化还可能引起材料的热膨胀和收缩，导致部件之间的配合间隙发生变化，影响设备的正常运行[5]。

　　4.2.3环境介质

　　环境介质的性质对耐磨部件的腐蚀和磨损有重要影响。在轧钢生产中，冷却水、氧化铁皮等介质会与耐磨部件接触，对其表面造成腐蚀和磨损。一些新型复合材料虽然具有较好的抗腐蚀性，但在长期的腐蚀环境中，仍然可能会受到一定程度的侵蚀。

　　4.3设计和安装因素

　　4.3.1设计合理性

　　耐磨部件的设计合理性直接影响其工作性能和寿命。合理的设计可以使部件在工作过程中受力均匀，减少应力集中，降低磨损和疲劳破坏的风险。例如，导卫键的结构设计应考虑其在工作过程中的受力情况，避免出现不合理的形状和尺寸，导致局部应力过大。

　　4.3.2安装质量

　　安装质量对耐磨部件的寿命也有重要影响。如果安装不当，可能会导致部件之间的配合间隙不合理、安装不牢固等问题，从而加速部件的磨损和损坏。在安装导卫键等耐磨部件时，需要严格按照安装要求进行操作，确保部件的安装精度和稳定性[6]。

　　5新型复合材料耐磨部件寿命评估方法

　　5.1试验寿命评估方法

　　5.1.1磨损试验

　　销-盘式磨损试验、往复式摩擦磨损试验等都是常用的标准化测试方法，系统模拟轧钢机械耐磨零件在真实工况下的服役条件。试验过程中采用高精度传感器实时监测磨损量变化，基于累积磨损数据建立多因素耦合的磨损量数学模型，该模型综合考虑载荷、速度、温度及润滑状态等关键参数的影响规律。通过对比不同工况下的磨损速率曲线，揭示材料表面形貌演变与磨损机制的关联性，进而推导出零件剩余寿命的预测方程。

　　5.1.2疲劳试验

　　疲劳试验通过精准测定新型复合材料耐磨零件的疲劳裂纹扩展速率与疲劳寿命两项核心指标，结合材料力学与疲劳损伤理论，构建适用于该类复合材料的疲劳寿命预测模型，最终实现对构件在实际服役工况下使用寿命的科学评估。一方面，通过滚弯疲劳试验，重复新型复合材料耐磨零件在轧制过程中因辊压接触产生的循环弯曲应力状态；另一方面，借助拉-压疲劳试验，模拟零件在启停、载荷波动等工况下承受的轴向循环载荷。

　　5.2数值模拟寿命评估方法

　　5.2.1有限元分析

　　有限元分析方法构建了适用于特定工况的新型摩擦副力学模型，并基于该模型对摩擦副在实际工作状态下的应力分布特征与变形演化规律展开精细化仿真分析。

　　以轧制设备中导卫键的力学性能分析为例，可依据导卫键的实际结构尺寸、材料属性及滚压作业时的载荷特性，确定其边界约束条件并构建三维有限元模型；随后通过有限元求解器完成应力场与应变场的数值计算，获取导卫键在典型工况下的力学响应规律；最终结合材料的应力-寿命曲线与损伤累积理论，完成对导卫键疲劳寿命的科学评价，为其结构优化与服役可靠性提升提供理论依据[7]。

　　5.2.2多物理场耦合模拟

　　多物理场耦合模拟方法通过构建涵盖多场相互作用机制的寿命评估模型，以实现对部件服役寿命的精准预测。该方法突破单一物理场分析的局限性，通过建立各物理场间的耦合关联，更真实地复现部件的实际工作状态。研究中通过耦合求解热传导方程、弹性力学方程及化学反应动力学方程，建立导卫键多物理场耦合数值模型；基于该模型模拟不同服役阶段导卫键的材料性能劣化规律（如高温软化、应力腐蚀开裂等），并结合多场耦合下的材料损伤累积模型，最终实现对导卫键服役寿命的科学评估，为轧钢机械耐磨部件的设计优化与运维决策提供技术支撑[8]。

　　6结语

　　综上所述，将新型复合材料应用于轧钢机械耐磨部件，对提升部件工作性能与服役可靠性、降低设备运维成本、提高轧制生产线整体生产率具有重要工程意义。该类材料凭借优异的耐磨、抗疲劳及抗腐蚀特性，可从根本上改善传统金属耐磨部件易失效、寿命短的问题，为轧钢设备高效稳定运行提供材料保障。

参考文献

　　［1］曹福新，周长江，周元学，等.新型复合材料刹车片的制备与性能优化研究［J］.汽车工艺师，2025（6）：6-9+14.

　　［2］胡浩，李飞，周黎军，等.新型复合材料管接头的轴压力学性能研究［J］.机械设计与制造工程，2025，54（5）：24-28.

　　［3］徐化强.基于新型复合材料吸附剂的污水处理方法应用研究［J］.山西化工，2025，45（4）：250-252.

　　［4］楼孟达，周立钧，左有笑.基坑支护工程用新型纤维增强复合材料研究［J］.合成材料老化与应用，2025，54（2）：39-42.

　　［5］黄仁海，夏丽莉，王宏伟，等.3-2-2新型压电复合材料的有限元仿真［J］.压电与声光，2025，47（2）：312-318.

　　［6］袁昱超，童浩，郭力，等.新型船用复合材料夹芯夹筋板力学试验分析［J/OL］.中国舰船研究，1-11［2025-06-27］.

　　［7］谢安逸，邓安仲，张寒松.道面修复用新型格栅聚氨酯复合材料力学性能研究［J］.佳木斯大学学报（自然科学版），2025，43（3）：87-91.

　　［8］贾志宁，闫艳红，郝彩哲，等.新型PA66三元复合材料的制备及性能研究［J］.塑料科技，2025，53（1）：56-60.