新型低合金耐磨钢性能综述

柴增田

（承德石油高等专科学校，河北承德 067000）

新型低合金耐磨钢性能综述

柴增田

（承德石油高等专科学校，河北承德 067000）

通过对新型低合金马氏体、贝氏体和马－贝体耐磨钢性能综述分析，介绍了耐磨钢在球磨机衬板应用中表现出的良好耐磨性能。

低合金耐磨钢；马氏体；贝氏体；球磨机衬板

球磨机是电厂、水泥厂、矿山、化工、冶金等行业生产中的主要制粉设备，衬板则是保证球磨机正常运转的主要耐磨部件。在目前广泛用于制造衬板的材料中，使用最多的是高锰钢。当破碎物料受到的冲击并不强烈时，由于高锰钢具有的加工硬化性能不能充分得以发挥，使得高锰钢衬板表现出了磨损快、使用寿命短的弱点。因此国内一些高校、科研院所和耐磨材料企业先后开始研究替代高锰钢的材料，其中低合金耐磨铸钢是目前研究较多的一种新型衬板材料。在各类抗磨件中，80%以上是在中、低应力冲击磨损工况条件下使用，低合金钢具有较高硬度和足够韧性的综合性能，并可以通过调整成分与热处理工艺，在较大范围内控制硬度和韧性的合理匹配。进入21世纪以来，相继研制的新型低合金马氏体、贝氏体和马－贝体耐磨钢，在实际使用中，表现出了较高锰钢衬板优良的使用性能。

1 低合金马氏体耐磨钢

由于低合金马氏体钢中存在的高位错板条状马氏体具有高的硬度,可以较好地抵抗磨损时裂纹的扩展，因此具有优异的机械性能和耐磨性。在中等冲击磨损条件下，同奥氏体高锰钢相比，具有明显的优越性,综合机械性能高出高锰钢一倍多。因此近年来研制和开发的低合金耐磨钢中，以马氏体钢的应用最为广泛。碳是钢中影响各项性能的主导元素,一般而言高碳耐磨钢耐磨性好而脆性大，因此低合金马氏体耐磨钢的碳含量主要是低碳，如1号、2号钢和中碳如3～8号钢，碳含量在0.26%～0.6%之间。低合金马氏体钢主要合金元素是Cr、Mo和Ni。铬能显著提高钢的淬透性,并固溶强化基体,提高钢的耐磨性，还能细化晶粒和提高钢的回火稳定性，其含量一般为0.5%～3.2%；加入适量的钼能提高钢的淬透性、回火稳定性以及细化晶粒,还有抑制回火脆性的作用,改善冲击韧性,但加入量过多将使成本提高,故加入量一般为0.1%～0.8%；镍和碳不形成碳化物，和铁以互溶的形式存在于钢中的α相和γ相中，使之强化，并通过细化相的晶粒改善钢的低温性能，强烈稳定奥氏体，提高钢的淬透性而不降低钢的韧性，但价格昂贵，含量一般为0.2%～1.8%。

添加的微量元素主要为 B、Re、V、Ti、Cu 等。硼是强烈稳定奥氏体的合金元素,可替代Ni、Cr、Mo等贵金属以显著提高钢的淬透性,固溶在钢中的硼为0.001%～0.003%时提高淬透性最明显,含硼量超过0.005%时,韧性降低,所以应严格控制钢中的含硼量。在钢中的钛是强碳化物形成元素，细化晶粒效果非常明显,可以消除一般热处理无法消除的一次结晶和晶界元素偏析，降低钢在250～400℃之间的回火脆性,亦可提高淬透性,代替部分贵重元素,如Ni、Mo、Cr等。稀土在钢中的有益作用日益受到重视,RE可以净化钢液,改善铸态结晶组织，细化晶粒，增加钢的致密度，改善夹杂物性质、形态和分布，降低有害杂质元素在晶界的偏析程度，使钢的韧性得到提高。6号合金钢中加入铜，铜不形成碳化物，以固溶态存在于基体中，可改善钢的韧度,提高淬透性。热处理主要是通过淬火与低温回火，淬火介质包括油、水、空气和水玻璃，以获得回火马氏体组织。

但低合金马氏体钢对化学成分控制和热处理工艺要求较高,淬火工艺操作不当或化学成分控制不好极易引起材料的开裂；回火温度控制不好，易导致组织从回火马氏体向回火屈氏体过渡,在磨损过程中，回火屈氏体的加工硬化率较小，因而耐磨性也较低。另外该钢主要靠马氏体基体硬度来抗磨，在高应力磨料磨损条件下，耐磨性提高不多。

在低合金马氏体耐磨钢中，高硼铸钢是一种新的抗磨材料，如表1的10号、11号钢，以廉价的硼为主要合金元素，不含价格昂贵的镍、钼、钨、钒等合金元素，其组织特点是在低碳马氏体基体上镶嵌有硬度高、热稳定性好的硼化物，可以确保高硼铸钢在具有优异强韧性的前提下，还具有高的硬度和优良的耐磨性，可以克服目前广泛应用的以碳化物为主要耐磨硬质相的铁基耐磨合金（如高铬铸铁、镍硬铸铁等）脆性大、使用中易断裂和剥落的不足，也可以克服无耐磨硬质相的铁基合金（如高锰钢、低碳合金钢）硬度低、淬透性与耐磨性差的不足，在球磨机衬板上发挥其优异的耐磨性能，延长其使用寿命。

表1 低合金马氏体钢衬板的成分、金相组织、力学性能和使用情况

2 贝氏体低合金耐磨钢

20世纪50年代,英国人Pickering等发明了Mo－B系空冷贝氏体钢。Mo和B的结合可以使钢在相当宽的连续冷却速度范围内获得贝氏体组织。Mo－B系或Mo系贝氏体钢的出现受到世人的重视。清华大学方鸿生等在研究中发现，Mn在一定含量时，可使过冷奥氏体等温转变曲线上存在明显的上、下C曲线分离；Mn与B结合,使高温转变孕育期明显长于中温转变,以此成功地用普通元素进行合金化，发明出Mn－B系空冷贝氏体钢。由于适量的Mn可导致其在中温下在相界处富集,对相界迁移起拖曳作用，与B共同作用容易获得贝氏体；同时Mn显著降低贝氏体相变驱动力，使贝氏体相变温度降低，细化贝氏体尺寸,改善韧性和强度。进入21世纪以来，国内冶铸工作者研制出了多种新型球磨机衬板贝氏体耐磨铸钢（见表2），实践中表现出了优良的综合力学性能和耐磨性。

表2 贝氏体低合金耐磨钢衬板的成分、金相组织、力学性能和使用情况

在作为衬板材料的新型贝氏体铸钢中，含有较多的锰和硅，如表 2 中的 1、2、4、6、7 号钢,其中硅是非碳化物形成元素,可增加碳在奥氏体中的活度。在贝氏体生长过程中。多余的碳会排向界面一侧的邻近奥氏体中。由于硅阻碍渗碳体析出，造成周围奥氏体富碳,使贝氏体片条间或片条内的富碳残留奥氏体稳定化，形成无碳化物贝氏体。锰具有扩大奥氏体区和提高淬透性的作用,还可以降低贝氏体相变温度，使钢中贝氏体组织更细小，有利于贝氏体组织的获得。另外，Cr、Mo是强碳化物形成元素，形成的碳化物熔点高、颗粒细小且分布均匀，这些细小的高熔点碳化物颗粒，能促进凝固时的形核，细化铸钢的组织。

加入的合金元素主要是Cr、Mo和Ni，Mo在钢中的主要作用是提高淬透性，防止回火脆性,细化晶粒,同时还有一定的二次硬化效应。此外,Mo对奥氏体分解为珠光体的转变有强烈的抑制作用,但对奥氏体分解为贝氏体转变速度的影响则微不足道。因此,为了在较宽的冷却速度范围内获得贝氏体组织,在钢中加入适量的Mo是必要的,考虑生产成本,将Mo含量定为0.2%～0.8%。Cr在钢中与碳、铁形成碳化物,提高耐磨性,亦有利于淬透性的提高和增加钢的强度。Ni不形成碳化物,以固溶状态存在于基体中，改善钢的韧度,提高淬透性。V、Ti可细化钢的晶粒，强化铁素体基体，提高钢的强度和韧度。B在钢中的突出作用是提高淬透性,有利于钢空冷条件下获取贝氏体组织，提高基体的韧度和耐磨性。为了进一步提高钢的硬度、韧度和淬透性,适当加入微量合金元素为 V、Ti、B、Re、W、Nb、Ta、Y 等。

3 贝氏体+马氏体的低合金耐磨钢

20世纪60年代,人们在某些低合金高强度钢中发现贝氏体/马氏体复相组织的强韧性优于单一马氏体组织。而且由于淬透性的原因，一些大型高强度低合金钢零部件淬火后常常含有一定量贝氏体/马氏体复相组织。因此21世纪以来贝氏体/马氏体复相组织引起了人们的广泛重视，研制出了许多贝氏体+马氏体的低合金耐磨钢（见表3）。

贝氏体(B/M)双相钢是以 Si、Mn、Cr、Mo 为主要合金元素，加入适量 Ni、Cu、V、Ti、B、Y、Re 的多元低合金铸钢(见表3),通过空淬加回火的热处理工艺，得到回火马氏体组织+贝氏体为主的组织，具有硬度和韧性高、耐磨性好等特点。当钢在连续冷却过程中通过贝氏体转变温度区时,过冷奥氏体分解为贝氏体，先析出的贝氏体将奥氏体晶粒进行分割、细化,将原始奥氏体晶粒分割成许多的细小区域，当冷却到Ms温度时，在贝氏体板条间隙中剩余过冷奥氏体全部转变为马氏体。板条马氏体为高强度相组织，具有很高的抗拉强度和硬度，但韧性较差。贝氏体组织则在具有较高强度的同时具有较好的韧性。因此，试样微观组织为贝氏体和马氏体双相组织时，其强度和韧性都得以保证。研究表明，上贝氏体/马氏体混合组织恶化钢性能，但下贝氏体/马氏体组织能够改善钢的强韧性,在断裂过程中当裂纹遇到下贝氏体/马氏体界面及马氏体板条束界时，裂纹曲折转向，吸收更多的能量，提高了钢的韧性,降低韧脆转变温度，显示出比回火马氏体更高的强韧性。

表3 贝氏体+马氏体的低合金耐磨钢衬板的成分、金相组织、力学性能和使用情况

[1]王涛,张东博,孙法德.板条状马氏体钢衬板研制与应用[J].山东机械，2001(5)31～32.

[2]董方,阎俊萍,郭长庆.38SiMn2BRE铸钢球磨机衬板的研制[J].铸造技术，2000(3)3～4.

[3]王云飞.大型球磨机用耐磨衬板的研制[J].石家庄职业技术学院学报,2001，Vol.1 3No.2:16～18.

[4]刘俊生,翟文霞,孙晓永.低合金耐磨耐冲击衬板在棒磨机上的应用[J].山西冶金，2010(2)17～19.

[5]冯胜山,杨应凯,叶学贤,等.新型中碳多元低合金稀土耐磨钢衬板的研制和应用[J].铸造，2003，Vol·52 No·8:557～560.

[6]陈丹.中碳低合金钢衬板的研制[J].本溪冶金高等专科学校学报,2004，Vol.6 No.2:12～13.

[7]张龙.中碳低合金耐磨钢的研制及在衬板上的应用[J].铸造技术,2003，Vol.24 No.5:411～412.

[8]鲁修宇，刘静，高新平，光正国.中碳铬钼合金钢球磨机衬板的研究[J].热加工工艺,2010，Vol.39,No.21:27～30.

[9]崔亦国.贝氏体铸钢衬板的研究和应用[J].铸造技术,2003，Vol.24 No.6:556～557.

[10]王振国.高耐磨贝氏体铸钢衬板生产工艺研究 [J].南方金属,2011（3）7～8.

[11]颜慧成.钛铌硼对低碳贝氏体钢组织与性能的影响[J].钢铁研究学报,2010，Vol.22,No.5:55～58.

[12]闫浩，李艳，郭琼.正火贝氏体铸钢的研究和应用[J].热加工工艺,2008，Vol.37 No.7:10～12.

[13]孙德勤,吴春京,谢建新.贝氏体钢的研究开发现状与发展前景探讨[J].机械工程材料,2003，Vol.27No.6:4～7.

[14]章立群,刘自成,刘东雨,白秉哲.Mn系贝氏体/马氏体复相钢的研究及应用进展[J].金属热处理,2006,Vol.31 No.12:2～6.

[15]尹恩生.低合金马氏体、贝氏体铸钢衬板的应用研究[J].新疆钢铁,2004（3）8～10.

[16]曹瑜强,雷百战,邓宏运,魏兵.中碳多元稀土合金耐磨钢衬板的研制[J].热加工工艺,2003（5）48～49.

[17]刘凯,邵乙清,朱灵泉,等.低合金高强度双相耐磨钢热处理工艺研究[J].武汉科技大学学报,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

稿件编号：2011－159

柴增田（1962－），男，从事铸造合金研究工作