新型低合金耐磨鋼性能綜述

柴增田

（承德石油高等專科學校，河北承德 067000）

新型低合金耐磨鋼性能綜述

柴增田

（承德石油高等專科學校，河北承德 067000）

通過對新型低合金馬氏體、貝氏體和馬－貝體耐磨鋼性能綜述分析，介紹了耐磨鋼在球磨機襯板應用中表現出的良好耐磨性能。

低合金耐磨鋼；馬氏體；貝氏體；球磨機襯板

球磨機是電廠、水泥廠、礦山、化工、冶金等行業生產中的主要制粉設備，襯板則是保證球磨機正常運轉的主要耐磨部件。在目前廣泛用于制造襯板的材料中，使用最多的是高錳鋼。當破碎物料受到的沖擊并不強烈時，由于高錳鋼具有的加工硬化性能不能充分得以發揮，使得高錳鋼襯板表現出了磨損快、使用壽命短的弱點。因此國內一些高校、科研院所和耐磨材料企業先后開始研究替代高錳鋼的材料，其中低合金耐磨鑄鋼是目前研究較多的一種新型襯板材料。在各類抗磨件中，80%以上是在中、低應力沖擊磨損工況條件下使用，低合金鋼具有較高硬度和足夠韌性的綜合性能，并可以通過調整成分與熱處理工藝，在較大范圍內控制硬度和韌性的合理匹配。進入21世紀以來，相繼研制的新型低合金馬氏體、貝氏體和馬－貝體耐磨鋼，在實際使用中，表現出了較高錳鋼襯板優良的使用性能。

1 低合金馬氏體耐磨鋼

由于低合金馬氏體鋼中存在的高位錯板條狀馬氏體具有高的硬度,可以較好地抵抗磨損時裂紋的擴展，因此具有優異的機械性能和耐磨性。在中等沖擊磨損條件下，同奧氏體高錳鋼相比，具有明顯的優越性,綜合機械性能高出高錳鋼一倍多。因此近年來研制和開發的低合金耐磨鋼中，以馬氏體鋼的應用最為廣泛。碳是鋼中影響各項性能的主導元素,一般而言高碳耐磨鋼耐磨性好而脆性大，因此低合金馬氏體耐磨鋼的碳含量主要是低碳，如1號、2號鋼和中碳如3～8號鋼，碳含量在0.26%～0.6%之間。低合金馬氏體鋼主要合金元素是Cr、Mo和Ni。鉻能顯著提高鋼的淬透性,并固溶強化基體,提高鋼的耐磨性，還能細化晶粒和提高鋼的回火穩定性，其含量一般為0.5%～3.2%；加入適量的鉬能提高鋼的淬透性、回火穩定性以及細化晶粒,還有抑制回火脆性的作用,改善沖擊韌性,但加入量過多將使成本提高,故加入量一般為0.1%～0.8%；鎳和碳不形成碳化物，和鐵以互溶的形式存在于鋼中的α相和γ相中，使之強化，并通過細化相的晶粒改善鋼的低溫性能，強烈穩定奧氏體，提高鋼的淬透性而不降低鋼的韌性，但價格昂貴，含量一般為0.2%～1.8%。

添加的微量元素主要為 B、Re、V、Ti、Cu 等。硼是強烈穩定奧氏體的合金元素,可替代Ni、Cr、Mo等貴金屬以顯著提高鋼的淬透性,固溶在鋼中的硼為0.001%～0.003%時提高淬透性最明顯,含硼量超過0.005%時,韌性降低,所以應嚴格控制鋼中的含硼量。在鋼中的鈦是強碳化物形成元素，細化晶粒效果非常明顯,可以消除一般熱處理無法消除的一次結晶和晶界元素偏析，降低鋼在250～400℃之間的回火脆性,亦可提高淬透性,代替部分貴重元素,如Ni、Mo、Cr等。稀土在鋼中的有益作用日益受到重視,RE可以凈化鋼液,改善鑄態結晶組織，細化晶粒，增加鋼的致密度，改善夾雜物性質、形態和分布，降低有害雜質元素在晶界的偏析程度，使鋼的韌性得到提高。6號合金鋼中加入銅，銅不形成碳化物，以固溶態存在于基體中，可改善鋼的韌度,提高淬透性。熱處理主要是通過淬火與低溫回火，淬火介質包括油、水、空氣和水玻璃，以獲得回火馬氏體組織。

但低合金馬氏體鋼對化學成分控制和熱處理工藝要求較高,淬火工藝操作不當或化學成分控制不好極易引起材料的開裂；回火溫度控制不好，易導致組織從回火馬氏體向回火屈氏體過渡,在磨損過程中，回火屈氏體的加工硬化率較小，因而耐磨性也較低。另外該鋼主要靠馬氏體基體硬度來抗磨，在高應力磨料磨損條件下，耐磨性提高不多。

在低合金馬氏體耐磨鋼中，高硼鑄鋼是一種新的抗磨材料，如表1的10號、11號鋼，以廉價的硼為主要合金元素，不含價格昂貴的鎳、鉬、鎢、釩等合金元素，其組織特點是在低碳馬氏體基體上鑲嵌有硬度高、熱穩定性好的硼化物，可以確保高硼鑄鋼在具有優異強韌性的前提下，還具有高的硬度和優良的耐磨性，可以克服目前廣泛應用的以碳化物為主要耐磨硬質相的鐵基耐磨合金（如高鉻鑄鐵、鎳硬鑄鐵等）脆性大、使用中易斷裂和剝落的不足，也可以克服無耐磨硬質相的鐵基合金（如高錳鋼、低碳合金鋼）硬度低、淬透性與耐磨性差的不足，在球磨機襯板上發揮其優異的耐磨性能，延長其使用壽命。

表1 低合金馬氏體鋼襯板的成分、金相組織、力學性能和使用情況

2 貝氏體低合金耐磨鋼

20世紀50年代,英國人Pickering等發明了Mo－B系空冷貝氏體鋼。Mo和B的結合可以使鋼在相當寬的連續冷卻速度范圍內獲得貝氏體組織。Mo－B系或Mo系貝氏體鋼的出現受到世人的重視。清華大學方鴻生等在研究中發現，Mn在一定含量時，可使過冷奧氏體等溫轉變曲線上存在明顯的上、下C曲線分離；Mn與B結合,使高溫轉變孕育期明顯長于中溫轉變,以此成功地用普通元素進行合金化，發明出Mn－B系空冷貝氏體鋼。由于適量的Mn可導致其在中溫下在相界處富集,對相界遷移起拖曳作用，與B共同作用容易獲得貝氏體；同時Mn顯著降低貝氏體相變驅動力，使貝氏體相變溫度降低，細化貝氏體尺寸,改善韌性和強度。進入21世紀以來，國內冶鑄工作者研制出了多種新型球磨機襯板貝氏體耐磨鑄鋼（見表2），實踐中表現出了優良的綜合力學性能和耐磨性。

表2 貝氏體低合金耐磨鋼襯板的成分、金相組織、力學性能和使用情況

在作為襯板材料的新型貝氏體鑄鋼中，含有較多的錳和硅，如表 2 中的 1、2、4、6、7 號鋼,其中硅是非碳化物形成元素,可增加碳在奧氏體中的活度。在貝氏體生長過程中。多余的碳會排向界面一側的鄰近奧氏體中。由于硅阻礙滲碳體析出，造成周圍奧氏體富碳,使貝氏體片條間或片條內的富碳殘留奧氏體穩定化，形成無碳化物貝氏體。錳具有擴大奧氏體區和提高淬透性的作用,還可以降低貝氏體相變溫度，使鋼中貝氏體組織更細小，有利于貝氏體組織的獲得。另外，Cr、Mo是強碳化物形成元素，形成的碳化物熔點高、顆粒細小且分布均勻，這些細小的高熔點碳化物顆粒，能促進凝固時的形核，細化鑄鋼的組織。

加入的合金元素主要是Cr、Mo和Ni，Mo在鋼中的主要作用是提高淬透性，防止回火脆性,細化晶粒,同時還有一定的二次硬化效應。此外,Mo對奧氏體分解為珠光體的轉變有強烈的抑制作用,但對奧氏體分解為貝氏體轉變速度的影響則微不足道。因此,為了在較寬的冷卻速度范圍內獲得貝氏體組織,在鋼中加入適量的Mo是必要的,考慮生產成本,將Mo含量定為0.2%～0.8%。Cr在鋼中與碳、鐵形成碳化物,提高耐磨性,亦有利于淬透性的提高和增加鋼的強度。Ni不形成碳化物,以固溶狀態存在于基體中，改善鋼的韌度,提高淬透性。V、Ti可細化鋼的晶粒，強化鐵素體基體，提高鋼的強度和韌度。B在鋼中的突出作用是提高淬透性,有利于鋼空冷條件下獲取貝氏體組織，提高基體的韌度和耐磨性。為了進一步提高鋼的硬度、韌度和淬透性,適當加入微量合金元素為 V、Ti、B、Re、W、Nb、Ta、Y 等。

3 貝氏體+馬氏體的低合金耐磨鋼

20世紀60年代,人們在某些低合金高強度鋼中發現貝氏體/馬氏體復相組織的強韌性優于單一馬氏體組織。而且由于淬透性的原因，一些大型高強度低合金鋼零部件淬火后常常含有一定量貝氏體/馬氏體復相組織。因此21世紀以來貝氏體/馬氏體復相組織引起了人們的廣泛重視，研制出了許多貝氏體+馬氏體的低合金耐磨鋼（見表3）。

貝氏體(B/M)雙相鋼是以 Si、Mn、Cr、Mo 為主要合金元素，加入適量 Ni、Cu、V、Ti、B、Y、Re 的多元低合金鑄鋼(見表3),通過空淬加回火的熱處理工藝，得到回火馬氏體組織+貝氏體為主的組織，具有硬度和韌性高、耐磨性好等特點。當鋼在連續冷卻過程中通過貝氏體轉變溫度區時,過冷奧氏體分解為貝氏體，先析出的貝氏體將奧氏體晶粒進行分割、細化,將原始奧氏體晶粒分割成許多的細小區域，當冷卻到Ms溫度時，在貝氏體板條間隙中剩余過冷奧氏體全部轉變為馬氏體。板條馬氏體為高強度相組織，具有很高的抗拉強度和硬度，但韌性較差。貝氏體組織則在具有較高強度的同時具有較好的韌性。因此，試樣微觀組織為貝氏體和馬氏體雙相組織時，其強度和韌性都得以保證。研究表明，上貝氏體/馬氏體混合組織惡化鋼性能，但下貝氏體/馬氏體組織能夠改善鋼的強韌性,在斷裂過程中當裂紋遇到下貝氏體/馬氏體界面及馬氏體板條束界時，裂紋曲折轉向，吸收更多的能量，提高了鋼的韌性,降低韌脆轉變溫度，顯示出比回火馬氏體更高的強韌性。

表3 貝氏體+馬氏體的低合金耐磨鋼襯板的成分、金相組織、力學性能和使用情況

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Review on Wear Resistance of New Low Alloyed Steel Castings for Producing Ball Mill Liner

CHAI ZengTian
(Chengde Petroleum Technological Academy,Chengde 067000,Hebei China)

Good wear resistance of such cast steel applied to ball mill liner has been introduced through comprehensive analysis on performance of new low alloyed wear resistant cast steel with martensite,bainite and bainite－martensite.

Low－alloy wear resistant cast steel;Martensite;Bainite;Ball mill liner

TG142.33+1;

A；

1006－9658（2012）02－0035-5

2011－11－14

稿件編號：2011－159

柴增田（1962－），男，從事鑄造合金研究工作