新型低合金耐磨鋼性能綜述

柴增田

（承德石油高等專科學(xué)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?？茖W(xué)校，河北承德 067000）

通過對(duì)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(jī)襯板應(yīng)用中表現(xiàn)出的良好耐磨性能。

低合金耐磨鋼；馬氏體；貝氏體；球磨機(jī)襯板

球磨機(jī)是電廠、水泥廠、礦山、化工、冶金等行業(yè)生產(chǎn)中的主要制粉設(shè)備，襯板則是保證球磨機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)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(dāng)破碎物料受到的沖擊并不強(qiáng)烈時(shí)，由于高錳鋼具有的加工硬化性能不能充分得以發(fā)揮，使得高錳鋼襯板表現(xiàn)出了磨損快、使用壽命短的弱點(diǎn)。因此國內(nèi)一些高校、科研院所和耐磨材料企業(yè)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(yīng)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(diào)整成分與熱處理工藝，在較大范圍內(nèi)控制硬度和韌性的合理匹配。進(jìn)入21世紀(jì)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(shí)際使用中，表現(xiàn)出了較高錳鋼襯板優(yōu)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(cuò)板條狀馬氏體具有高的硬度,可以較好地抵抗磨損時(shí)裂紋的擴(kuò)展，因此具有優(yōu)異的機(jī)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(yōu)越性,綜合機(jī)械性能高出高錳鋼一倍多。因此近年來研制和開發(fā)的低合金耐磨鋼中，以馬氏體鋼的應(yīng)用最為廣泛。碳是鋼中影響各項(xiàng)性能的主導(dǎo)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(hào)、2號(hào)鋼和中碳如3～8號(hào)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(qiáng)化基體,提高鋼的耐磨性，還能細(xì)化晶粒和提高鋼的回火穩(wěn)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(wěn)定性以及細(xì)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(qiáng)化，并通過細(xì)化相的晶粒改善鋼的低溫性能，強(qiáng)烈穩(wěn)定奧氏體，提高鋼的淬透性而不降低鋼的韌性，但價(jià)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(qiáng)烈穩(wěn)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(shí)提高淬透性最明顯,含硼量超過0.005%時(shí),韌性降低,所以應(yīng)嚴(yán)格控制鋼中的含硼量。在鋼中的鈦是強(qiáng)碳化物形成元素，細(xì)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(jié)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(tài)結(jié)晶組織，細(xì)化晶粒，增加鋼的致密度，改善夾雜物性質(zhì)、形態(tài)和分布，降低有害雜質(zhì)元素在晶界的偏析程度，使鋼的韌性得到提高。6號(hào)合金鋼中加入銅，銅不形成碳化物，以固溶態(tài)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(zhì)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(duì)化學(xué)成分控制和熱處理工藝要求較高,淬火工藝操作不當(dāng)或化學(xué)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(dǎo)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(yīng)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(hào)、11號(hào)鋼，以廉價(jià)的硼為主要合金元素，不含價(jià)格昂貴的鎳、鉬、鎢、釩等合金元素，其組織特點(diǎn)是在低碳馬氏體基體上鑲嵌有硬度高、熱穩(wěn)定性好的硼化物，可以確保高硼鑄鋼在具有優(yōu)異強(qiáng)韌性的前提下，還具有高的硬度和優(yōu)良的耐磨性，可以克服目前廣泛應(yīng)用的以碳化物為主要耐磨硬質(zhì)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(zhì)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(jī)襯板上發(fā)揮其優(yōu)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(xué)性能和使用情況

2 貝氏體低合金耐磨鋼

20世紀(jì)50年代,英國人Pickering等發(fā)明了Mo－B系空冷貝氏體鋼。Mo和B的結(jié)合可以使鋼在相當(dāng)寬的連續(xù)冷卻速度范圍內(nèi)獲得貝氏體組織。Mo－B系或Mo系貝氏體鋼的出現(xiàn)受到世人的重視。清華大學(xué)方鴻生等在研究中發(fā)現(xiàn)，Mn在一定含量時(shí)，可使過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線上存在明顯的上、下C曲線分離；Mn與B結(jié)合,使高溫轉(zhuǎn)變?cè)杏诿黠@長于中溫轉(zhuǎn)變,以此成功地用普通元素進(jìn)行合金化，發(fā)明出Mn－B系空冷貝氏體鋼。由于適量的Mn可導(dǎo)致其在中溫下在相界處富集,對(duì)相界遷移起拖曳作用，與B共同作用容易獲得貝氏體；同時(shí)Mn顯著降低貝氏體相變驅(qū)動(dòng)力，使貝氏體相變溫度降低，細(xì)化貝氏體尺寸,改善韌性和強(qiáng)度。進(jìn)入21世紀(jì)以來，國內(nèi)冶鑄工作者研制出了多種新型球磨機(jī)襯板貝氏體耐磨鑄鋼（見表2），實(shí)踐中表現(xiàn)出了優(yōu)良的綜合力學(xué)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(xué)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(hào)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(huì)排向界面一側(cè)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(nèi)的富碳?xì)埩魥W氏體穩(wěn)定化，形成無碳化物貝氏體。錳具有擴(kuò)大奧氏體區(qū)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(xì)小，有利于貝氏體組織的獲得。另外，Cr、Mo是強(qiáng)碳化物形成元素，形成的碳化物熔點(diǎn)高、顆粒細(xì)小且分布均勻，這些細(xì)小的高熔點(diǎn)碳化物顆粒，能促進(jìn)凝固時(shí)的形核，細(xì)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(xì)化晶粒,同時(shí)還有一定的二次硬化效應(yīng)。此外,Mo對(duì)奧氏體分解為珠光體的轉(zhuǎn)變有強(qiáng)烈的抑制作用,但對(duì)奧氏體分解為貝氏體轉(zhuǎn)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(nèi)獲得貝氏體組織,在鋼中加入適量的Mo是必要的,考慮生產(chǎn)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(qiáng)度。Ni不形成碳化物,以固溶狀態(tài)存在于基體中，改善鋼的韌度,提高淬透性。V、Ti可細(xì)化鋼的晶粒，強(qiáng)化鐵素體基體，提高鋼的強(qiáng)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(jìn)一步提高鋼的硬度、韌度和淬透性,適當(dāng)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(jì)60年代,人們?cè)谀承┑秃辖鸶邚?qiáng)度鋼中發(fā)現(xiàn)貝氏體/馬氏體復(fù)相組織的強(qiáng)韌性優(yōu)于單一馬氏體組織。而且由于淬透性的原因，一些大型高強(qiáng)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(fù)相組織。因此21世紀(jì)以來貝氏體/馬氏體復(fù)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(diǎn)。當(dāng)鋼在連續(xù)冷卻過程中通過貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)時(shí),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(jìn)行分割、細(xì)化,將原始奧氏體晶粒分割成許多的細(xì)小區(qū)域，當(dāng)冷卻到Ms溫度時(shí)，在貝氏體板條間隙中剩余過冷奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。板條馬氏體為高強(qiáng)度相組織，具有很高的抗拉強(qiáng)度和硬度，但韌性較差。貝氏體組織則在具有較高強(qiáng)度的同時(shí)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(shí)，其強(qiáng)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(qiáng)韌性,在斷裂過程中當(dāng)裂紋遇到下貝氏體/馬氏體界面及馬氏體板條束界時(shí)，裂紋曲折轉(zhuǎn)向，吸收更多的能量，提高了鋼的韌性,降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度，顯示出比回火馬氏體更高的強(qiáng)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(xué)性能和使用情況

[1]王濤,張東博,孫法德.板條狀馬氏體鋼襯板研制與應(yīng)用[J].山東機(jī)械，2001(5)31～32.

[2]董方,閻俊萍,郭長慶.38SiMn2BRE鑄鋼球磨機(jī)襯板的研制[J].鑄造技術(shù)，2000(3)3～4.

[3]王云飛.大型球磨機(jī)用耐磨襯板的研制[J].石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2001，Vol.1 3No.2:16～18.

[4]劉俊生,翟文霞,孫曉永.低合金耐磨耐沖擊襯板在棒磨機(jī)上的應(yīng)用[J].山西冶金，2010(2)17～19.

[5]馮勝山,楊應(yīng)凱,葉學(xué)賢,等.新型中碳多元低合金稀土耐磨鋼襯板的研制和應(yīng)用[J].鑄造，2003，Vol·52 No·8:557～560.

[6]陳丹.中碳低合金鋼襯板的研制[J].本溪冶金高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2004，Vol.6 No.2:12～13.

[7]張龍.中碳低合金耐磨鋼的研制及在襯板上的應(yīng)用[J].鑄造技術(shù),2003，Vol.24 No.5:411～412.

[8]魯修宇，劉靜，高新平，光正國.中碳鉻鉬合金鋼球磨機(jī)襯板的研究[J].熱加工工藝,2010，Vol.39,No.21:27～30.

[9]崔亦國.貝氏體鑄鋼襯板的研究和應(yīng)用[J].鑄造技術(shù),2003，Vol.24 No.6:556～557.

[10]王振國.高耐磨貝氏體鑄鋼襯板生產(chǎn)工藝研究 [J].南方金屬,2011（3）7～8.

[11]顏慧成.鈦鈮硼對(duì)低碳貝氏體鋼組織與性能的影響[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào),2010，Vol.22,No.5:55～58.

[12]閆浩，李艷，郭瓊.正火貝氏體鑄鋼的研究和應(yīng)用[J].熱加工工藝,2008，Vol.37 No.7:10～12.

[13]孫德勤,吳春京,謝建新.貝氏體鋼的研究開發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展前景探討[J].機(jī)械工程材料,2003，Vol.27No.6:4～7.

[14]章立群,劉自成,劉東雨,白秉哲.Mn系貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼的研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].金屬熱處理,2006,Vol.31 No.12:2～6.

[15]尹恩生.低合金馬氏體、貝氏體鑄鋼襯板的應(yīng)用研究[J].新疆鋼鐵,2004（3）8～10.

[16]曹瑜強(qiáng),雷百戰(zhàn),鄧宏運(yùn),魏兵.中碳多元稀土合金耐磨鋼襯板的研制[J].熱加工工藝,2003（5）48～49.

[17]劉凱,邵乙清,朱靈泉,等.低合金高強(qiáng)度雙相耐磨鋼熱處理工藝研究[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010，Vol.33 No.3:233～235.

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(hào)：2011－159

柴增田（1962－），男，從事鑄造合金研究工作