耐磨鋼成分設(shè)計思路的研究與應用

高龍永

（山東鋼鐵集團日照有限公司， 山東 日照 276800）

隨著各行各業(yè)的快速發(fā)展，我國各類耐磨鋼需求量已達到50～70 萬t/ 年，產(chǎn)品類別主要集中在HB360-500 級別，產(chǎn)品厚度大多集中在～100 mm[1]。

目前，耐磨鋼產(chǎn)品主要由Hardox、EVERHARD 和XAR 壟斷。國內(nèi)耐磨鋼板大多依據(jù)GB/T 24186—2009《工程機械用高強度耐磨鋼》標準設(shè)計，缺乏針對不同應用領(lǐng)域的個性化產(chǎn)品開發(fā)，與國外品牌差距較大。鋼的化學成分和微觀組織決定著產(chǎn)品的最終性能，而化學成分及工藝過程又決定著鋼的微觀組織。因此，鋼的成分設(shè)計對于多用途耐磨鋼的研發(fā)尤為重要。

1 耐磨鋼失效機理分析

耐磨鋼失效是由于硬材料在鋼板表面相對運動或沖擊作用造成。耐磨鋼實際服役過程中會受到?jīng)_擊磨損、低應力滑動磨損、高應力三體沖擊磨損和刨削磨損等復雜力作用；同時還伴隨著高溫、潮濕和腐蝕等環(huán)境因素影響。因此，耐磨鋼在硬度、熱處理性能、焊接性能、抗腐蝕性能等方面都有特殊要求。

2 耐磨鋼中主要合金元素的作用

2.1 碳元素的作用

碳是影響耐磨鋼強度、硬度、韌性及淬透性的重要元素，也是影響顯微組織最為重要的元素。隨著含碳量增加，鋼的硬度增加，沖擊韌性顯著下降，耐磨性逐漸提高。含碳量過高，鋼中碳化物量過多，熱處理后形成高碳片狀馬氏體，鋼的硬度高而韌性低，且熱處理容易開裂；含碳量過低，鋼件淬硬性不足，硬度過低，耐磨性不足。

2.2 硅元素的作用

硅可提高耐磨鋼的耐磨性能。但硅含量過高將顯著降低鋼的塑性、韌性和延展性。另外，Si 使耐磨鋼組織呈帶狀，導致橫向性能低于縱向性能；硅過量還會出現(xiàn)塊狀鐵素體，使耐磨鋼韌性降低并易產(chǎn)生淬火裂紋，殘余奧氏體顯著增加，硬度降低。

2.3 錳元素的作用

錳提高耐磨鋼的硬度和強度，強烈增加淬透性，淬火后易得到馬氏體組織。但錳是過熱敏感性元素，淬火時加熱溫度過高，會引起晶粒粗大；錳在凝固時偏析系數(shù)較大，很容易在晶界偏聚，對性能產(chǎn)生不利影響，并會導致鋼淬火組織中殘余奧氏體量增加。

2.4 鉻元素的作用

鉻提高耐磨鋼的高溫強度、硬度和耐磨性能。但同時也增加鋼的回火脆性傾向。

2.5 鎳元素的作用

鎳可提高耐磨鋼的淬透性，以提高韌性。在耐磨鋼中，Cr/Ni 元素復合添加可顯著提高鋼的淬透性，能夠保證鋼板芯部具有足夠高的硬度。

2.6 鉬元素的作用

鉬提高耐磨鋼的淬透性。對于厚規(guī)格低合金耐磨鋼，提高鋼中鉬元素含量，可以提高鋼板厚度方向的硬度均勻性[2]。

2.7 鈦元素的作用

鈦可細化耐磨鋼晶粒、改善韌性。在高溫溶入奧氏體時，增加淬透性；以碳化物形態(tài)存在時，降低淬透性；耐磨鋼加入鈦，還增加回火穩(wěn)定性，產(chǎn)生二次硬化效果[3]。

2.8 硼元素的作用

微量硼可提高鋼耐磨鋼的淬透性，在Mn 配合下獲得空冷貝氏體組織。

2.9 鈮元素的作用

鈮能有效提高耐磨鋼的強度和韌性。

2.10 鋁元素的作用

鋁耐耐磨鋼中起到細化晶粒、提高晶粒粗化溫度作用。

3 耐磨鋼合金元素對淬透性的影響

在C 和Mn 元素含量不變情況下，提高鋼中Si（+0.2%）、Cr（+0.4%）、Ni（+0.2%）、Mo（+0.15%）元素含量（質(zhì)量分數(shù)）后，耐磨鋼淬透性大幅度增加，淬透性斜率K 值由657.23 提高到1 312.30。

因此，對厚鋼板而言，為確保鋼板厚度方向獲得均勻的馬氏體組織，保證鋼板厚度方向強度、硬度的均勻性，可以通過提高耐磨鋼中Cr、Ni、Mo 等合金元素含量來實現(xiàn)。

4 耐磨鋼合金元素對力學性能的影響

采用材料性能模擬軟件JMatPro 對低合金耐磨鋼力學性能進行計算分析，研究不同合金元素組合和配比對耐磨鋼力學性能的影響。考慮到生產(chǎn)實際情況，計算過程中奧氏體化溫度為920 ℃，保溫時間15 min，奧氏體晶粒度為ASTM7.7 級。

4.1 對淬火態(tài)20 mm 耐磨鋼板力學性能的影響

碳元素對提高鋼板表面硬度具有顯著的作用。Mn 元素對表面硬度影響不大，但可以減小厚度方向上的硬度衰減。

Mn、Cr、Mo 三種合金元素對20 mm 厚度淬火態(tài)鋼板的力學性能的影響較大。Cr 可以同時提高鋼板的表面硬度和厚度方向的硬度；Mo 的作用是提高鋼板厚度方向硬度，對表面硬度影響比較小。

4.2 對淬火態(tài)40 mm 耐磨鋼板力學性能的影響

鋼板表面硬度主要取決于碳含量，Mn 和Cr 元素對鋼板芯部硬度和強度起到顯著影響。在合適的Mn和Cr 元素含量條件下，少量Mo 元素可以較為明顯的提高鋼板的芯部硬度和強度。該成分體系下，當C 含量降低，Mn 逐漸升高，質(zhì)量分數(shù)0.1%的Mo 元素對芯部硬度和強度的提升作用逐漸降低。

碳含量增加后，鋼的表面硬度（HV）升高至440～460。為通過提高Mn 含量，配合適量的Cr 元素，僅需少量Mo 元素便可以明顯提高鋼板的芯部硬度和強度；Si 元素降低后，耐磨鋼硬度強度升高。對于鋼板厚度方向，低Si 含量鋼板的芯部硬度和強度下降更快一些。

Mn 含量不變條件下，單獨添加Cr 元素，可以獲得略高的表面硬度和強度，但芯部硬度和強度下降更快，硬度均均勻性最差。復合添加Cr、Mo 合金時，Cr、Mo 含量比值降低，鋼板的表面硬度逐漸降低，而厚度方向的上硬度均勻性逐漸改善。Mo 元素則可以提高鋼板厚度方向上的硬度均勻性。

4.3 對淬火態(tài)70 mm 耐磨鋼板力學性能的影響

對于70 mm 厚度鋼板，為提高鋼板力學性能，獲得良好的低溫韌性，鋼中在添加Cr、Mo 合金的基礎(chǔ)上，同時添加適量的Ni 元素。Ni 元素對鋼板的表面硬度的影響比較微小，主要體現(xiàn)在對鋼板厚度方向上硬度的影響。

Cr、Ni、Mo 含量不變，提高Mn 含量可以同時提高表面硬度和厚度方向的硬度；Mn、Ni、Mo 含量不變，提高Cr 含量在提高表面硬度的同時，還可以改進厚度方向的硬度均勻性。提高Cr、Mo 的合金含量比值，可以顯著提高鋼板的表面硬度。因此，通過調(diào)配鋼中Mn、Cr、Ni、Mo 合金含量及其配比，可以設(shè)計出不同服役工況情況下的耐磨鋼。

5 耐磨鋼所用行業(yè)與廠家

在以上研究基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計了360、400、450、500 級耐磨鋼，年產(chǎn)量目前已達到20 000 t 左右，相關(guān)產(chǎn)品已成功應用到工程機械、礦山機械、煤炭機械、港口機械等行業(yè)，是中車集團、中煤張家口煤機、山西礦機、徐工、三一重工、卡特彼勒、利勃海爾等知名企業(yè)的穩(wěn)定供應商，其中徐工神州第一挖700 t XE7000E液壓挖掘機、蒙古最大金銅礦OyuTolgoi 礦山地下礦等重點項目的優(yōu)先選用產(chǎn)品。

6 結(jié)論

1）合金元素對淬透性指數(shù)影響由大到小的順序依次為C、Mo、Si、Mn、Cr、Ni。在適當增加Mo 和Ni 條件下，鋼中C 對鋼板淬透性提高效果明顯。

2）鋼板表面硬度主要取決于C、Cr 含量。Cr 作用與C 元素相似，對提高表面硬度更為有利。Ni、Mo 的作用是提高鋼板厚度方向上的硬度，對表面硬度的影響比較小。Mn 元素可以同時提高鋼板表面硬度和厚度方向硬度；提高Mn 和Cr 元素含量可以改進厚度方向的硬度衰減。在合適的Mn 和Cr 元素含量條件下，少量的Mo 元素可以較為明顯的提高鋼板的芯部硬度。當m（Cr）/m（Mo）降低時，Mo 元素對厚度方向硬度提升效果減弱。

3）Cr、Mo 含量及其含量比值對表面硬度和厚度方向硬度具有重要影響。單獨添加Cr 元素時，表面硬度相對較高，厚度方向硬度衰減較快。復合添加Cr、Mo合金時，隨著m（Cr）/m（Mo）的降低，表面硬度逐漸降低，厚度方向硬度均勻性逐漸改善。m（Cr）/m（Mo）提高，顯著鋼板表面硬度提高。

4）通過復合添加合金元素并調(diào)配合金含量可以調(diào)控耐磨鋼的力學性能。合理設(shè)計C、Mn、Cr 可以有效減少Ni 和Mo 的貴重合金含量而又不降低力學性能。

5）在以上理論基礎(chǔ)指導下設(shè)計的耐磨鋼系列，成功打開了國內(nèi)耐磨鋼市場，替代了部分進口產(chǎn)品，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。