高性能低合金耐磨鋼研究進展

王一鳴 王曉南 劉紅艷 劉珍光 陳子剛

摘 要：低合金耐磨鋼作為一種耐磨材料已廣泛應用于諸多磨損領域，但其耐磨系統(tǒng)的機理研究及磨損性能研究仍不夠完善。因此，為了更好地拓寬低合金耐磨鋼在此領域的應用，系統(tǒng)總結(jié)耐磨鋼研究目的和發(fā)展現(xiàn)狀，從分類、性能、影響因素等方面進行總結(jié)概述，闡明當前低合金耐磨鋼的相關研究進展情況，最后結(jié)合現(xiàn)有研究和未來需求，對低合金鋼的廣泛應用及亟待解決的問題和今后發(fā)展趨勢進行了總結(jié)和展望。

關鍵詞：低合金耐磨鋼；合金元素；磨損性能

RESEARCH PROGRESS OF HIGH PERFORMANCE LOW ALLOY WEAR-RESISTANT STEEL

Wang Yiming1? ? Wang Xiaonan2? ? Liu Hongyan3? ? Liu Zhenguang1? ? ?Chen Zigang3

（1. School of Materials Science and Engineering， Jiangsu University of Science and Technology? ? Zhenjiang? ? 212100， China; 2.School of Iron and Steel， Soochow University? ? Suzhou? ? 215137， China;

3.Technology Center， HBIS Group Hansteel Company? ? Handan? ? 056000， China）

Abstract：As a kind of wear-resistant material， low alloy wear-resistant steel has been widely used in many abrasion fields， but the research on the mechanism of its wear-resistant system and wear performance is not perfect. Therefore， in order to better broaden the application of low alloy wear-resistant steel in this field， this paper systematically summarizes the research purpose and development status of wear-resistant steel， summarizes and outlines from the aspects of classification， performance， influencing factors， etc.， and elucidates the current progress of research related to low alloy wear-resistant steel， and finally， combines the existing research and the future demand， summarizes and outlooks on the wide application of low alloy steel as well as the problems that need to be solved urgently and the development trend of the future.

Key words： low alloy wear-resistant steel; alloying elements; wear performance

0? ? 前? ? 言

耐磨鋼具有優(yōu)良的耐磨性及較好的強韌性，能夠有效抵抗磨損和沖擊給設備帶來的損耗，在特殊工作環(huán)境下能得到更突出體現(xiàn)，被廣泛應用于采礦、建筑、電力以及冶金等機械產(chǎn)品上[1-3]。研究指出，全世界工程機械零件失效中80%以上是由磨損產(chǎn)生，世界能源有1/3～1/2消耗由摩擦磨損導致[4]。因此，改善耐磨鋼摩擦學性能對實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展及能源消耗經(jīng)濟化具有重要意義。

１? ? 耐磨鋼鐵材料概述

耐磨鋼是我國重要結(jié)構(gòu)材料，可分為三類：高錳鋼、高鉻鑄鐵以及低合金耐磨鋼。高錳鋼作為傳統(tǒng)耐磨材料，其原因在于表層奧氏體組織可以在強烈沖擊或重力擠壓作用下轉(zhuǎn)變?yōu)閷渝e孿晶強化的馬氏體，使表面迅速硬化，硬度從170～225 HB提升到500～800 HB，而心部依然保持原有的硬度和韌性，其典型組織如圖1所示[5-6]，在摩擦磨損過程可誘導奧氏體→馬氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體具有優(yōu)異耐磨性，從而實現(xiàn)“越磨越硬”功效。然而，奧氏體高錳鋼僅在高應力和高載荷的工況下表現(xiàn)出較高耐磨性，在沖擊磨損工況下易出現(xiàn)裂紋和剝落，導致耐磨性急劇下降，且其耐磨性在中低應力條件下表現(xiàn)相對較弱，應用范圍相對局限[7]。

第二類耐磨鋼鐵以高鉻合金鑄鐵為主，其優(yōu)異耐磨性在磨料磨損條件下尤為突出。高鉻鑄鐵主要強化相為（Cr，F(xiàn)e）xCy，其不同形態(tài)下顯微組織如圖2所示[8-10]，不同析出相所對應的強度及硬度提升均不相同。（Cr，F(xiàn)e）3C為滲碳體型碳化物，其顯微硬度在840～1 100 HV，但是由于其所固有的斜方晶體結(jié)構(gòu)，在磨損過程中易從基體中脫落；（Cr，F(xiàn)e）7C3型碳化物主要為板條狀及六方棱柱型，彌散分布非網(wǎng)狀碳化物作為第二相顯著提高基體的耐磨性，顯微硬度為1 600～1 900 HV；（Cr，F(xiàn)e）23C6為面心立方結(jié)構(gòu)，顯微硬度為1 000～

1 100HV。因此，高鉻合金鑄鐵在各種工況下均具備良好耐磨性，其服役壽命也能滿足復雜的工況條件。由于其化學成分中需要添加大量Cr及Ni等貴金屬元素，同時需要滿足第二相強化的過程中所需的C元素，過高C容易導致材料的脆性增加，因此其工藝相對復雜、要求嚴格，導致生產(chǎn)成本較高，從而限制了在工業(yè)生產(chǎn)中使用范圍[11]。

針對高錳鋼應用場合的局限性及高鉻合金鑄鐵服役生產(chǎn)過程中的諸多問題，合金鋼逐漸成為新一代耐磨金屬的研究方向，特別其可以通過合理的化學配比、熱處理和軋制等方法，獲得較高強度及硬度[3]。低合金鋼通常是指合金元素總量小于5%的合金鋼，具有較高的硬度和韌性[12]。依據(jù)組織主要分為馬氏體耐磨鋼、貝氏體耐磨鋼及復相耐磨鋼。馬氏體組織具備高強度、高硬度的特點，在低合金馬氏體鋼磨損過程中可以較好抵抗磨損時裂紋的擴展[13-14]。貝氏體鋼經(jīng)歷了從Mo、Mo-B系到Mn-B系貝氏體鋼轉(zhuǎn)變，但當Mn元素添加量大于2%后容易導致嚴重的偏析，且鋼中N元素易與B元素化合，惡化淬透性及強化效果。貝氏體組織兼具強度和硬度的同時比馬氏體具有更好耐磨性。近年來，針對貝氏體鋼研究人員制備出超級貝氏體鋼能夠同時兼具超高強度及優(yōu)異的韌塑性，為貝氏體鋼研究提供了新思路[15-16]。目前，針對低合金耐磨鋼的一系列產(chǎn)品由于注重強度、硬度及耐磨性而忽視了塑性及韌性，導致合金鋼的綜合性能無法滿足要求。因此，研究在單一奧氏體、貝氏體及馬氏體的基礎上，結(jié)合雙相鋼強韌性的設計理念來改善耐磨鋼的整體性能。通常雙相耐磨鋼包括馬氏體-鐵素體組織、馬氏體-貝氏體組織和奧氏體-貝氏體組織。馬氏體-鐵素體耐磨鋼主要應用于強度較小的汽車領域；馬氏體-貝氏體耐磨鋼具有最為優(yōu)異的耐磨性，并可以通過TMCP和熱處理工藝進行組織調(diào)控，加入一定量Ni、Cu、Ti可以提高強度及韌性，但由于片狀馬氏體及下貝氏體在低合金鋼中其顯微組織較難區(qū)分，因此相關研究并未表明馬氏體、貝氏體形態(tài)和比例分數(shù)對耐磨性的影響 [17]；奧氏體-貝氏體耐磨鋼主要利用Si、Cr、V、Nb等元素合金化，在保證貝氏體高強度組織的同時通過C、Mn 元素對奧氏體組織的化學穩(wěn)定作用來增加磨損過程中裂紋擴展阻力。

2? ? 合金元素在低合金耐磨鋼中作用

低合金耐磨鋼因其卓越強度、塑性、韌性等綜合性能及良好耐磨性，成為耐磨鋼鐵材料研究重點，新一代低合金耐磨鋼中往往加入諸多合金元素，其種類及含量對耐磨鋼種的研發(fā)和應用有決定性作用。國內(nèi)外針對低合金耐磨鋼的組織性能調(diào)控，主要集中在Ti、Cr等元素。

2.1? ? Ti元素的作用

Ti元素在低合金耐磨鋼中活性極強，能夠與C、N元素形成析出物，析出的TiN、Ti4C2S2、TiC 或 Ti（C，N）等第二相能夠阻礙晶粒正常長大，改善鋼綜合性能。針對低合金耐磨鋼的大多數(shù)研究中，Ti含量的質(zhì)量分數(shù)均控制在0.05%～0.20%之間。Ti在鋼中的固溶公式為[18]：

Ti（固溶溫度）=60×exp（Ti%/0.07）+1 076℃ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

當鋼中鈦含量達到 0.2%以上時，在基體中會生成大量微米納米級多尺度復合TiC顆粒，提高鋼材強度與耐磨性，但同時也會析出大量有尖銳棱角TiN、Ti4C2S2，嚴重損害鋼的韌性[19]。李德發(fā)通過在HB500耐磨鋼中引入0.05%～0.09%的微量Ti元素，最大限度地利用Ti元素的析出強化和細化晶粒作用，提高了HB500耐磨鋼的強韌性和綜合應用性能要求[1]。Kostryzhev通過對比馬氏體耐磨鋼中的Ti/C比，發(fā)現(xiàn)其硬度和強度與其呈正相關，但是粗大的Ti（C，N）化合物會阻礙Fe3C碳化物析出[20]。Ding Wang通過研究不同Ti含量（0～0.4%）對耐磨鋼組織性能的影響，發(fā)現(xiàn)Ti含量為0.2%時，有最高的抗拉強度及最低的磨損率，且隨著Ti含量的增加，其磨損率先降低后增加[21]。

2.2? ? Cr元素的作用

Cr元素作為低合金耐磨鋼中的主要合金元素，不僅能夠提升淬透性，還能在提升強硬度的同時不惡化塑韌性。此外，Cr元素還能與C元素產(chǎn)生多種形式的碳化物，并降低奧氏體臨界轉(zhuǎn)變溫度，在耐磨鋼中其含量一般為0.5%～3.2%[13]。桂曉露通過設計不同Cr含量（0.3%～1.2%）的低合金耐磨鋼，結(jié)果表明，隨著Cr含量的增加，試驗鋼的硬度增加，但是沖擊性能下降，Cr含量為0.6%的耐磨鋼擁有良好的強韌性配合且耐磨性能高于傳統(tǒng)高錳鋼的30%[22]。李紅探究耐磨鋼中加入不同含量的Cr（0～1%）元素的作用，研究結(jié)果表明，Cr會對馬氏體/貝氏體雙相耐磨鋼中馬氏體相分數(shù)、硬度、耐磨性及沖擊韌性起協(xié)同作用[23]。姚耔杉通過探究合金元素 Cr 和 Ni 對低合金耐磨鋼相變、力學性能和磨損性能的影響規(guī)律及強化機理，發(fā)現(xiàn)Ni 和Cr元素均可有效改善耐磨鋼的力學性能，Cr 元素對于抗拉強度和布氏硬度的提升效果更為明顯，但復合添加Cr和Ni元素會降低耐磨鋼低溫沖擊韌性，其耐磨性在磨損初期有較高提升[2]。

2.3? ? 其他合金元素

Mn元素能夠顯著提高鋼的淬透性，是低合金耐磨鋼的主要合金元素，一般加入的體積分數(shù)為0.5%。Mo元素通過抑制回火脆性提高其穩(wěn)定性。此外，國內(nèi)外研究中可以通過添加N、Nb、B、Cu、V等微量元素替代Ni、Cr、Mo等貴金屬元素。N（0～0.08%）和V（0～0.03%）的加入可以促進針狀鐵素體形成，起到分割奧氏體晶粒、細化馬氏體板條束的作用。加入Cu元素（0.5%）能夠在保證低溫韌性的同時提高屈服強度，增加奧氏體穩(wěn)定性。Ni 的添加會使得耐磨鋼在低冷卻速率下抑制鐵素體相變，促進貝氏體相變；在高冷卻速率下促進馬氏體相變，且Ni元素會固溶于α和β相中產(chǎn)生強化，其含量一般為0.2%～1.8%。加入Nb元素能夠提升耐磨性的原因主要在于耐磨鋼在奧氏體化過程中析出納米級的細小NbC第二相，對奧氏體晶界起釘扎作用，抑制晶粒的長大[24-26]。

3? ? 制造工藝參數(shù)對低合金耐磨鋼組織和耐磨性的作用

除了合金元素影響之外，耐磨鋼在制造過程中其工藝參數(shù)的變化也會對其組織和性能產(chǎn)生較大影響，目前研究學者主要對耐磨鋼的熱處理工藝及軋制過程中不同參數(shù)的影響進行了研究。

3.1? ? 熱處理工藝

針對低合金耐磨鋼的熱處理工藝，一般都是通過淬火與回火來獲得板條馬氏體和少量分布在板條間的殘余奧氏體，同時通過深冷處理減少殘余奧氏體對組織性能的影響。低合金耐磨鋼一般的淬火溫度為850～920 ℃，隨著淬火溫度的升高，馬氏體晶粒隨原奧氏體晶粒不斷長大，可以通過控制淬火溫度來控制耐磨鋼晶粒尺寸，對預測鋼的強度及韌性有重要意義。同時，淬透性對于耐磨鋼的磨損性能及磨損壽命也起到關鍵性作用。蔣輝通過研究不同冷速對低合金耐磨鋼組織轉(zhuǎn)變的影響，結(jié)合膨脹曲線、金相等試驗結(jié)果繪制出如圖3所示CCT曲線，當冷速從0.01℃/s增加至0.2℃/s時，其耐磨鋼的顯微組織發(fā)生粒狀貝氏體→上貝氏體+少量馬氏體→全馬氏體的轉(zhuǎn)變，并且隨著冷速的進一步增加馬氏體板條更加明顯[27]。黃勝銀通過提升ZG28CrMn2VB耐磨鋼淬火時的溫度，發(fā)現(xiàn)耐磨鋼的硬度有所提升，但沖擊韌性有所降低[28]。張志春發(fā)現(xiàn)，淬火與回火間增加深冷處理能保證其塑性的前提下顯著提高低合金耐磨鋼的抗拉強度及屈服強度[29]。

3.2? ? 軋制

軋制是一種金屬加工工藝，因受軋輥的壓縮使材料截面減小而長度增加的壓力加工方法，其工藝原理圖如圖4所示[30]。軋制過程中的工藝參數(shù)也會對低合金耐磨鋼的組織和性能產(chǎn)生影響。田長亮通過對不同合金成分的低合金耐磨鋼進行軋制發(fā)現(xiàn)終軋溫度的高低對試驗鋼性能影響較為明顯，終軋溫度較高時，其V-Ti系耐磨鋼晶粒組織明顯粗

大[31]。許帥研究了熱軋變形量對經(jīng)過軋后熱處理的高鈦耐磨鋼組織和力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著軋制變形量增大，微米級網(wǎng)狀TiC逐漸細化和均勻化，由于大顆粒TiC在軋制變形過程中發(fā)生細化和均勻化，高鈦耐磨鋼的韌性和塑性隨強度的提高不降反升[32]。倪璟通過對相同含量下兩種不同厚度的耐磨鋼進行熱軋試驗，發(fā)現(xiàn)隨著熱軋溫度的升高，鋼板強度和韌性逐漸降低[33]。

4? ? 總結(jié)與展望

近年來，國內(nèi)外許多學者在耐磨鋼鐵材料的開發(fā)和應用領域取得了突破，提高耐磨鋼質(zhì)量，開發(fā)高性能新型耐磨鋼顯得非常必要。針對現(xiàn)有研究和未來需求，提出了以下幾點展望：

1）目前還沒有一致的理論來闡明低合金耐磨鋼中對磨損性能起決定性的關鍵元素及配比。試驗試錯仍是耐磨元素選擇和比例參數(shù)設計的主要方法，隨著人們依據(jù)摩擦學對耐磨產(chǎn)品要求的日益重視，高質(zhì)量、高效率將是低合金耐磨鋼發(fā)展的主要方向。

2）針對耐磨系統(tǒng)應用方面，由于其變量多，工作條件不同，效果也不盡相同，因此應通過大量試驗總結(jié)出一般規(guī)律?，F(xiàn)有的低合金耐磨鋼系統(tǒng)主要以低溫滑動摩擦為主，大多數(shù)研究人員只考慮了單個因素的摩擦學性能，忽略了多個因素間（溫度、相變場）的協(xié)同效應，關于兩種或兩種以上因素的耦合作用機理鮮有報道，為更加全面地完善表面強化的摩損機理，亟需掌握多種因素的耦合作用機理。

3）低合金耐磨鋼的組織構(gòu)成、力學性能和耐磨性受多重因素影響，通過大數(shù)據(jù)進行計算和預測是未來解決耐磨鋼不確定性的關鍵技術。

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第一作者：王一鳴，25歲，碩士研究生

收稿日期2023-12-04