耐磨钢铁材料在选矿行业的应用及发展趋势

于浩 ， 宋邦民 ，2

（1.北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083；2.芜湖新兴铸管有限责任公司研究院，安徽 芜湖 241000）

耐磨钢铁材料作为装备制造的基础材料，在矿山选矿领域具有举足轻重的作用，其优异的耐磨性和较高的硬度能够对矿石进行破碎和研磨，是选矿作业能否高质、高效的关键所在。国内早期的选矿设备以小口径球磨机为主，耐磨钢球主要要求高耐磨性。近20年来，国内不断引进高质、高效的半自磨机等新设备、新技术，半自磨机内的作业工况对耐磨材料的韧性要求越来越高，20世纪80、90年代国内研究较多的高铬铸铁等耐磨材料已不能满足应用要求，为此，选矿行业同步引进了国外的低合金耐磨材料。随着行业向高质量发展，半自磨机的直径不断增大，耐磨钢球的高硬度（耐磨性）和冲击韧性之间的矛盾逐渐成为行业发展的主要限制环节。由于近20年来耐磨钢铁材料的舶来主义，国内相关研究的报导较少，因此有必要对选矿领域的耐磨材料、服役工况、失效机理等方面进行梳理和总结，以便于研究、攻克相关的限制问题。

本文对选矿作业材料失效方式、工艺装备的工况条件、应用于该行业的耐磨钢铁材料等方面的相关文献进行了分析和总结。针对行业发展现状及未来发展趋势，阐述了短流程工艺生产不同尺度硬质相粒子协同作用的高强韧型贝氏体耐磨材料和引入Q&P工艺制备高韧塑性马氏体耐磨材料两种提高耐磨钢球冲击韧性和耐磨性的技术原理，为绿色、低碳、高效、节能的高质量选矿行业的发展提供了借鉴和思路。

1 选矿作业设备服役工况及材料失效机理

1.1 选矿作业设备行业发展现状

20世纪30年代，美国制造了世界上第一台湿式自磨机，利用矿石自身的重量和硬度相互碰撞、相互研磨，将块矿进行破碎，显著提高了工业选矿的效率。60年代，将自磨机改良为半自磨机，添加15%左右的钢球，利用钢球的重量和硬度与块矿相互冲击、相互磨削，加速了块矿的破碎，进一步提高了效率。此后，半自磨机在秘鲁、澳大利亚、美国、爱尔兰等国外各大矿山上得到了普遍的应用。2000年以前，国内主要选矿厂——铜陵有色、江西铜业、中国黄金等主要使用添加高耐磨铸铁球的自磨机，2000年开始引进半自磨机技术和设备。

随着新技术、新装备的应用和发展，磨损成为选矿领域设备和材料最主要的失效方式，作为耐磨材料的中流砥柱，各种类型的耐磨钢铁材料在选矿领域中开始崭露头角，耐磨钢铁材料的大规模推广及应用使其成为选矿企业磨损量最大的损耗材料。

耐磨钢球是球磨机中最常用、消耗量最大的研磨体，以煤矿、矿山、水泥行业应用最多。国内外使用较多的耐磨球材料有合金钢铸钢、铬合金铸铁、锻轧低合金钢等材料。铬合金铸铁球已经逐步替代合金钢铸球，成为直径较小的球磨机的主要使用材料。低合金耐磨钢添加了提高淬透性的元素，以淬火＋低温回火工艺获得回火马氏体组织，该组织既具有较高的硬度，同时冲击韧性也得到了一定程度的改善和提高，用其制备的轧球和锻球也已广泛应用于直径较大的自磨机和半自磨机，但随着半自磨机的直径不断增大，韧性已显不足。

1.2 选矿作业工艺装备及工况

从矿山开采出来的原矿石往往都是硬度高、尺寸大的块矿，需要破碎到一定尺度的小颗粒才能使用。选矿作业的主要设备是磨机，分为半自磨机和球磨机，分别如图1、图2所示。国内外普遍采用半自磨＋球磨工艺（SAB），其工艺流程为：破碎（半自磨机）→粗磨（球磨机）→精磨。目前，国外半自磨机的直径普遍大于10 m，国内2000年左右引进的半自磨机普遍为8～10 m，2010年以后引进较大直径半自磨机，直径最大达到13.97 m。

图1 国内某矿山Φ10.97 m×6.1 m半自磨机Fig.1 Semi-autogenous Mill with Φ10.97 m×6.1 m in a Domestic Mine

图2 国内某矿山Φ5.03 m×8.3 m球磨机Fig.2 Ball Mill with Φ5.03 m×8.3 m in a Domestic Mine

在磨机内，块矿与耐磨钢球按照一定比例（约75∶15）混装，电机驱动磨机高速旋转，块矿和耐磨钢球一起被带动上升，达到一定高度时被“抛落”，与底部的矿石和磨球相互碰撞，随后重新被带动上升。如此，块矿和磨球一同做着“升起-下落”、“摩擦-碰撞”的往复循环运动，直至矿块粉碎到目标直径的颗粒，被筛出后进入下一道工序。

矿石和耐磨钢球的相互作用方式主要有相互研磨和相互碰撞：当做抬升运动时，两者之间因自身重量而紧密接触，相互滑动，硬度高的钢球对硬度低的矿石进行研磨；当做抛落运动时，两者由高空落地时与底部矿石相互碰撞，在强有力的冲击力下破碎矿石。

半自磨机与球磨机都需要添加磨球，借助磨球对矿石的物理作用进行磨损。两者的主要区别是半自磨机的直径大、长度短、转速高、钢球运动速度快、落差大、冲击力强，主要用来对原矿石进行破碎；而球磨机的直径偏小、长度较长、转速低、钢球运动速度慢、落差小、冲击力弱，主要用于研磨矿石。为了减少粉尘，加速磨矿，一般会在磨机内加水，俗称湿磨。湿磨环境会导致高硬度磨球组织中马氏体的氢致开裂，将加剧耐磨钢球的失效。

1.3 选矿作业的材料失效机理

耐磨钢球与矿石的相互研磨和相互碰撞作用是一种磨损行为。磨损是一种复杂的动态过程，承受剧烈的力学作用，发生物理化学变化，受到材料、载荷、环境、温度等多种因素影响。根据磨损表面的作用和破坏形式，普遍将磨损分为5种类型，即磨料磨损、黏着磨损、冲蚀磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损等。20世纪90年代，研究人员在研究磨损机理时统计发现，在工业领域磨料磨损和黏着磨损是最主要的磨损类型，占比超过65%，其中磨料磨损占比超过50%。在矿山选矿破碎矿石方面，磨料磨损是主要的磨损形式。

1.3.1 磨料磨损机理

磨料磨损是材料硬颗粒与凸起物相对摩擦时，材料表面发生损耗的一种磨损，也称为磨粒磨损。磨损过程中会产生微犁沟、微切削、微疲劳和微断裂等作用，磨料磨损形式示意图如图3所示，与此相对应的磨损机理有三种。

图3 磨料磨损形式示意图Fig.3 Schematic Diagram for Wear Form of Abrasive

（1）微观切削磨损机理。在外力的作用下，硬磨粒以一定的角度接触材料表面时，垂直于材料表面的法向力使磨粒刺入摩擦表面，切应力使磨粒向前滑动，从而在材料表面形成犁沟，如图3（a）所示。此时如果材料的塑性较差，磨粒的棱角尖锐，与接触表面之间的冲角大于临界值，则磨粒就会像刀具一样，对表面进行剪切和切削，直接造成材料去除，形成一次切屑，在磨损表面产生深度和宽度都非常小的沟槽，称为微切削，如图 3（b）所示。磨料的硬度及相互之间的相对值是影响磨损的基本因素，硬度越高，磨损量越小。

（2）塑变（犁皱或冲击）造成的疲劳磨损机理。对于塑性较好的材料，如果磨粒的棱角较钝，当切入角小于临界值时，磨粒滑过材料表面时，只能把材料推挤到犁沟的两侧和前缘，造成较大的塑性变形，而不能产生切削作用和形成一次切屑，这时犁沟被称之为犁皱。当再次受到磨粒的作用时，这些己经塑性变形的材料将遭受再一次的犁皱变形，如此反复塑性变形，最终形成疲劳裂纹并剥落磨屑，如图3（c）所示。

（3）裂纹扩展控制的断裂（剥落）磨损机理。对于脆性材料，断裂磨损机理主要占支配的地位。在磨粒压入和切削材料表面的过程中，当磨粒的压痕深度超过临界压痕深度时，压痕底部的接触压力促使材料生成裂纹并向周围扩展。当平行于表面的裂纹互相交叉或扩展到表面时，材料表面就会有微粒剥落，形成磨屑，如图3（d）所示。

在磨料磨损过程中，上述几种磨损机理可以随着材料自身特性以及外界磨损条件的变化而发生转变，随着材料硬度的增加和断裂韧性的降低，磨料磨损机理的转变顺序为：塑变（犁皱或冲击）造成的疲劳磨损、微观切削磨损和裂纹扩展控制的断裂（剥落）磨损。此外，在特定实际工况条件下，材料的磨损往往是以一种磨损机理为主，几种磨损机理复合作用的结果。

1.3.2 选矿作业的磨料磨损

磨料磨损常用两种分类方法，其中按照磨料与工件之间作用应力的大小，磨料磨损又分为低应力擦伤式磨料磨损、高应力碾碎式磨料磨损和凿削式磨料磨损。选矿作业不同工装设备表现出差异很大的作用应力，适用这种分类方法来进行分类。

低应力擦伤式磨料磨损。其特征是接触应力低，接触松散，滑动自由。磨料的接触应力低，不超过其本身的压碎强度，对工件表面只造成擦伤和轻微的切削，如犁铧、料仓、漏斗等的磨损。

高应力碾碎式磨料磨损。其特征是接触应力高，磨料受到工件表面的挤压和摩擦，局部的接触应力非常高，超过了磨料的压碎强度，使磨料不断被碾碎成越来越小的碎片。而破碎的碎片呈多角形，可以嵌入切削工件表面，使工件摩擦表面产生凹坑和沟槽，如球磨机的磨球、衬板，矿石粉碎机的颚板和滚式破碎机的滚轮等的表面磨损。

凿削式磨料磨损。其特征是冲击力大，磨料与工件表面垂直或呈一定的倾斜角，以很大的冲击力切入表面，造成接触表面的宏观变形，并凿削下大颗粒掉块，使磨损表面有较深的压痕和沟槽。

适用半自磨机的耐磨钢球的尺寸较大，一般直径为120～150 mm，单球质量 7～14 kg。在半自磨机旋转抬升时，矿石和磨球之间接触松散，相对滑动，接触应力较低，其磨损行为主要为低应力擦伤式磨料磨损。当矿石和磨球跌落时，因为巨大的落差，底部的矿石受到耐磨钢球剧烈的碰撞冲击作用而破碎，此时磨损行为主要为凿削式磨料磨损。总体而言，半自磨机的直径较大，磨球的质量较重，凿削式磨料磨损占据主导地位。

球磨机的直径为4～8 m，适用的耐磨钢球的尺寸一般直径为 60～100 mm，单球质量 1～4 kg。在球磨机内，落差较小，钢球质量较轻，矿石和耐磨钢球相互碰撞的作用减轻，凿削式磨料磨损行为占比降低，高应力碾碎式磨料磨损占据主导地位。整体而言，球磨机的磨损行为主要为高应力碾碎式磨料磨损，低应力擦伤式磨料磨损次之。

精磨机的直径小于4 m，适用的耐磨钢球一般直径为20～40 mm，钢球已经没有冲击作用，矿石和耐磨钢球主要做相互研磨作用，此时的磨损行为主要为低应力擦伤式磨料磨损。

2 耐磨钢铁材料在选矿行业的应用现状

经过多年发展，耐磨钢铁材料主要有高锰钢、普通白口铸铁、高铬铸铁、特殊耐磨钢和中低合金耐磨钢，其中高锰钢、高铬铸铁和低合金耐磨钢在选矿作业中得到广泛应用，下面予以重点介绍。

2.1 高锰钢

高锰钢是1882年由英国冶金学家Robert Abbott Hadfield发明，将普通铸铁中锰含量添加至12%，经水韧处理后能获得单一的奥氏体组织，在高应力、强冲击的工况下便表现出良好的耐磨性能。典型牌号为ZGMn13，主要化学成分（质量分数） 为 C 1.0%～1.4%、Mn 11.0%～14.0%、Si 0.3%～1.0%。目前，我国国家标准中共有奥氏体锰钢10个牌号，对应国际ISO标准的9个牌号，具体化学成分参见 GB/T 5680-2010，各牌号的高锰钢化学成分是在 ZGMn13 的基础上，调整 Cr、Mo、Ni、W合金元素的含量，来改善合金性能，以适应具体的应用工况。

高锰钢的铸态组织主要由奥氏体、碳化物和珠光体组成，碳化物常常在晶界上呈网状分布，导致铸态高锰钢脆性大而无法使用。为了消除网状碳化物，需对高锰钢进行固溶处理，即将钢加热到1 050～1 100℃，奥氏体化后得到单相奥氏体组织，然后水淬快速冷却，使奥氏体组织保持到常温，固溶处理后高锰钢的强度、塑性和韧性均得到大幅度提高，该热处理技术被称为水韧处理，高锰钢典型显微组织如图4所示。

图4 高锰钢典型显微组织Fig.4 Typical Microstructure of High Manganese Steel

在受到强烈冲击摩擦或凿削时，高锰钢组织会发生相变，形成大范围的堆垛层错、孪晶以及平面位错结构，表层硬度会从180～220 HB提高至500～550 HB，而心部仍然保持良好的韧性。这种极强的加工硬化能力由其变形强化机制所决定，主要硬化机理有形变诱发马氏体相变硬化、孪晶硬化、位错硬化、动态应变时效硬化、Fe-Mn-C原子团硬化等，往往由上述多种机制复合调控。

对于高锰钢而言，使用环境要求有大的冲击载荷、冲击性摩擦，这些都能提供大的应变速率和大的局部应变量，是提供材料孪晶变形的外部因素。这一点与半自磨机、球磨机的使用环境契合，因此高锰钢是半自磨机、球磨机内部衬板的首选材料。近年来随着半自磨机的直径不断增大，高锰钢耐磨衬板的寿命已显不足，高锰TWIP钢耐磨衬板或将成为一个新的研究方向。

2.2 高铬铸铁

高铬铸铁是指C含量为2.2%～3.6%、Cr含量为11%～30%的合金白口铸铁。高铬铸铁于20世纪30年代先后在美国和英国试制成功，但是由于冶炼技术不成熟，直到20世纪60年代电炉冶炼广泛应用以后，高铬铸铁才得到较大发展。典型高铬铸铁的牌号有Cr12、Cr15Mo、Cr26等，尤其是由美国的Clmax公司研制的15Cr3Mo合金，以其优异的抗磨性而被冠以“抗磨材料王”的称号。图5为高铬铸铁的热处理工艺示意图。

图5 高铬铸铁的热处理工艺示意图Fig.5 Schematic Diagram for Heat Treatment Process of High Chromium Cast Iron

高铬铸铁的生产工艺一般为铸造→高温固溶处理→淬火→回火。其组织一般为共晶碳化物＋二次碳化物＋马氏体＋残余奥氏体。由于含有较高铬元素，二次碳化物以（CrFe）C为主，以不连续的方式分布在马氏体基体上，其硬度高达1 200～1 600 HV，共晶碳化物以孤立（或不连续）状分布在基体上，因而其宏观硬度很高，又有一定韧性，故具有优良的耐磨性。高铬铸铁兼有良好的抗高温和抗腐蚀性能，加之生产便捷、成本适中，而被誉为当代最优良的抗磨损材料之一。同样因为合金元素铬含量高，铸造时容易产生偏析，冷却时在晶间析出碳化物，需要进行高温固溶处理，其较大铸件的韧性较差，容易开裂。

高铬铸铁由于硬度高和优良的耐磨性，在低应力擦伤式磨料磨损中表现优异，20世纪80、90年代在国内耐磨钢球领域得到了广泛深入的研究和应用。但是由于其生产工艺的限制，直径较大的磨球韧性差，因此常常铸造成小球，用于直径小的球磨机。 在国家标准 GB/T 17445-2009《铸造磨球》中的典型牌号有 ZQCr26、ZQCr15和ZQCr12，主要用于直径小于4 m的球磨机内。由于近年来球磨机的直径普遍提高到4～8 m，高铬铸铁铸件被低合金耐磨钢所取代，但其仍用于水泥、电力等行业的矿石精磨工序。

2.3 低合金耐磨钢

耐磨钢球用低合金耐磨钢是伴随着半自磨机引进，作为耗材同步引进国内大量应用的。低合金耐磨钢合金总量≤5%，具有较高硬度。通过添加C、Si、Mn、Cr、Mo，以及 Ti、V、Nb 等微合金元素，提高耐磨钢的淬透性和淬硬性，使得钢球能够全尺寸淬透，经过回火处理获得回火马氏体＋残余奥氏体组织；或者经过等温淬火处理获得贝氏体＋残余奥氏体组织。由于其合金元素配比灵活，也可调整合金含量和热处理工艺获得马氏体-贝氏体双相组织等。相比于高锰钢和高铬铸铁，低合金耐磨钢添加的合金元素不含贵重稀缺元素，国内储量较多，成本低。而且其生产工艺多样，可铸可锻，热处理方式灵活，工件具有较高硬度和足够韧性，综合性能优良。在硬度大于50 HRC的情况下，韧性值可达20～40 J，可在较大范围内控制硬度和韧性的匹配关系，在各类磨料磨损工况下均可获得较好的耐磨性，因此成为承担半自磨机和球磨机高应力碾碎式磨料磨损和凿削式磨料磨损的主要材料。常用耐磨钢球用低合金耐磨钢主要分为两类，一类是兼顾硬度和韧性的贝氏体耐磨钢，另一类是以高硬度为主的马氏体耐磨钢。

我国的低合金贝氏体耐磨钢以自主开发的Mn-B系为主，在此基础上，清华大学通过提高Si含量和添加适量的Cr、Ni、Mo等合金元素，研制了系列化、中碳Mn-Si-B系空冷贝氏体耐磨钢。20世纪90年代，清华大学方鸿生教授联合国内几大矿厂研制的中合金贝氏体耐磨钢球，采用锻/轧后空冷工艺，获得贝氏体＋马氏体组织，硬度能达到50～60 HRC，冲击韧性大于10 J，在直径3 m以下的球磨机上得到了很好的应用。

低合金马氏体耐磨钢球主要采用锻、轧方式生产，工艺为余热淬火＋低温回火，获得全尺寸回火马氏体，体积硬度均匀，能达到57～64 HRC，无缺口冲击韧性能达到10 J左右，在自磨机和半自磨机上得到大量应用。2020年磨球行业主要企业在北京拟定行业标准，将国内外常用的马氏体耐磨钢根据合金成分进行划分，主要分为C-Mn类、C-Si-Mn-Cr类、C-Mn-Cr-Mo类。低合金耐磨钢球用钢的化学成分如表1所示。

表1 低合金耐磨钢球用钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Composition of Low-alloy Wear-resistant Steel Balls （Mass Fraction） %

C-Mn类具有较高的碳含量，淬透性偏低，硬度高于60 HRC，冲击韧性低，适合承受低应力擦伤式磨料磨损，主要用于小于Φ50 mm的钢球，应用于精磨机内。C-Mn-Cr-Mo类在C-Mn类基础上添加了Cr以提高淬透性，添加Mo元素析出复杂碳化物进行沉淀强化，可以承受高应力碾碎式磨料磨损，主要用于制作Φ50～Φ90 mm的钢球，适用于球磨机和部分直径偏小的半自磨机。C-Si-Mn-Cr类在C-Mn类基础上降低了碳含量，增加了Si和Cr元素，提高淬透性的同时抑制脆性碳化物FeC的析出，较C-Mn-Cr-Mo类提高了冲击韧性，硬度＞57 HRC，冲击韧性＞10 J，可以承受一定的凿削式磨料磨损，主要用于制作Φ120～Φ150 mm的钢球，适用于直径较大的半自磨机。

3 耐磨钢铁材料用于选矿行业的制约因素

选矿行业的高质量发展要求投入更高效的半自磨机，半自磨机的效率与其直径和耐磨钢球的综合性能息息相关。因此要求在增大半自磨机直径的同时，既增加耐磨钢球的冲击韧性，又不降低其耐磨性能。

现应用广泛的低合金耐磨材料的根本设计路线是通过添加Cr、Mn元素来扩大奥氏体相区，增加材料的淬透性，通过淬火获得大量的板条马氏体组织，进而获得高硬度和优良的耐磨性。这种以位错强化为主的板条马氏体组织，原生的塑性、冲击韧性较差，无法抵抗高应力冲击，尤其是在湿磨环境下，高位错组织会导致氢致开裂。在此基础上添加Mo元素能够抑制低温回火脆性，添加Si元素能够抑制珠光体形成，提高薄膜状残余奥氏体的稳定性，改善材料裂纹敏感性，提升冲击韧性。这些措施仅能改善板条马氏体组织较差的冲击韧性，无法显著提高其抗冲击能力。随着更高效、直径更大的半自磨机逐渐投产，现有的低合金耐磨钢球难以承受更高冲击应力的高应力碾碎式磨料磨损，在应用时常出现开裂破碎等质量问题，如图6所示，严重影响磨矿效率和矿耗水平，已经成为选矿行业进一步提质增效的限制因素。

图6 国内某矿Φ150 mm磨球破碎现象Fig.6 Picture of Crushed Wear-resistant Ball with Φ150 mm in a Domestic Mine

4 新型耐磨钢球材料的研究与开发

针对现有材料耐磨性和冲击韧性不能兼顾的矛盾，本文提出了短流程工艺生产不同尺度硬质相粒子协同作用的高强韧型贝氏体耐磨材料和引入Q&P工艺制备高韧塑性马氏体耐磨材料两种新型耐磨钢设计思路，希望能够起到抛砖引玉的作用。

4.1 新型贝氏体耐磨钢

北京科技大学于浩教授团队在低合金贝氏体耐磨钢基础上，通过在高强韧基体中引入不同尺度的第二相颗粒，其中纳米级硬质相粒子，一方面细化晶粒，另一方面沉淀强化，以此来进一步保证材料的硬度和强度，达到与马氏体组织相当的水平；析出的微米尺度粒子来改善材料的耐磨性，两者协同作用既增加了材料的硬度又提高了材料的耐磨性。普通耐磨钢和第二相强化耐磨钢磨损对比示意图见图 7，如图 7（b）、（c）所示，在强作用力下，不同尺度硬质相粒子协同作用的高强韧型贝氏体耐磨钢表现出优良的耐磨性。

图7 普通耐磨钢和第二相强化耐磨钢磨损示意图Fig.7 Wear Diagram for Traditional Wear-resistant Steel and Second Phase Strengthening Wear-resistant Steel

该团队提出的短流程工艺生产不同尺度硬质相粒子协同作用的高强韧型贝氏体耐磨钢关键技术路线如图8所示。首先利用锻后温度直接水冷控制相变，不但可以省掉锻后再加热步骤，节约成本、提高生产效率，而且锻后变形奥氏体中高密度的位错及缺陷可以促进中温转变产物贝氏体的精细化形成及纳米相的析出。当温度冷至贝氏体相区后放进盐浴炉中进行等温处理 （生产现场可以放入缓冷坑内保温，无需再加热保温），完成奥氏体→贝氏体的连续转变，使相变发生的更完全。在此阶段由于C、Mn元素向未转变奥氏体中配分，提高了残余奥氏体稳定性，可以保留至室温存在。同时，可以促进析出相的进一步析出以提高材料的性能。保温4 h后空冷，即可作为成品进行销售。实施该技术路线后得到的新型贝氏体耐磨钢金相组织和析出物见图9所示。

图8 贝氏体耐磨钢关键技术路线图Fig.8 Key Technology Roadmap of Bainite Wear-resistant Steel

图9 新型贝氏体耐磨钢金相组织和析出物Fig.9 Microstructure and Precipitates of a New Type of Bainite Wear-resistant Steel

新型贝氏体耐磨钢在“碳达峰、碳中和”新形势下具有显著优势，不同于低合金马氏体钢球需要进行二次回火，新型贝氏体耐磨钢球的生产工艺采用锻后直接快速冷却+低温保温工艺，一火成材获得纳米级贝氏体板条组织。以贝氏体为主，含有少量马氏体，在贝氏体板条间分布有薄膜状残余奥氏体，并有弥散分布的纳米级析出物。钢球表面硬度63 HRC，内部硬度不低于57 HRC，平均冲击韧性（无缺口）大于70 J。相比传统低合金耐磨钢，实现了在不降低耐磨性的同时显著提高了冲击韧性，在更大直径半自磨机内的应用有广阔的市场前景。

4.2 Q&P马氏体耐磨钢

Q&P工艺是马氏体型钢热处理的新工艺——“Q-P”（quenching and partitioning process） 工艺（淬火与碳配分工艺），由美国Colorada州矿校的Speer等提出，将高碳和中碳含硅钢进行淬火后，再在Ms以上的一定温度进行等温，使碳由马氏体分配至残余奥氏体，从而获得由马氏体和残余奥氏体两相构成的室温组织，得到了较高的强度和塑性及韧性的匹配。将Q&P工艺引入到耐磨钢生产过程是一条可行的新型耐磨钢设计思路，以价格低廉的合金体系（成分为Fe-C-Mn-Si），通过热力学/动力学计算与实验，制定淬火与碳配分温度和时间，运用Q&P工艺实现高强度和高韧性的有机匹配。

该团队曾小批量试制了一批Q&P马氏体耐磨钢，采用MLD-10型冲击磨损试验机与高锰耐磨钢Mn13Cr2进行对比试验。在高冲击载荷下，Q&P马氏体耐磨钢的磨损量相比Mn13Cr2要低50%左右。Q&P马氏体耐磨钢磨损形式为裂纹扩展控制的断裂（剥落），以及微量的微观切削形成“犁沟”。Mn13Cr2磨损形式整体为犁削式磨损。这是因为Q&P钢硬度、强度高，磨粒在外力的作用下难以刺入摩擦表面，仅在局部较软的残奥区域进行剪切和切削直接造成材料去除，形成一次切屑。而Mn13Cr2本身较软，即便充分加工硬化，其表面硬度仍显不足，经多次犁皱变形产生磨屑，形成二次切屑，整体磨损严重。

冲击磨损对比试验表明，Q&P马氏体耐磨钢能够承受比以抗冲击韧性著称的高锰耐磨钢Mn13Cr2更高的冲击应力作用，在获得马氏体组织耐磨性的同时显著提高了冲击韧性，在半自磨机上将会有更广阔的应用前景。

5 结语

20世纪国内选矿作业主要采用小口径球磨机破碎矿石，以高铬铸铁耐磨钢球作为主要磨损介质，其在矿石破碎方面效率较低。2000年之后，国内逐渐引进国外的半自磨机设备和技术，极大地提高了选矿效率，低合金耐磨钢以优良的耐磨性和较好的冲击韧性，成为破碎、磨削矿石任务的主要材料。但是随着高质量发展的逐步推进，更大直径的半自磨机逐渐投产，现有的低合金耐磨材料已经不能兼顾耐磨性和冲击韧性，成为行业发展的限制因素。

因此，亟需开发兼具优异耐磨性及抗冲击韧性的高品质耐磨钢铁材料，以满足行业发展的需求。此外，在“碳达峰、碳中和”新形势下，同时随着绿色冶金观念的不断深入普及，发展低碳环保、绿色、节能、高性能和长寿命的钢铁耐磨材料越来越迫切和受到重视。所以，新型高性能耐磨钢铁材料的研发，不但可以突破当前行业的发展困境，而且还可以加强我国对基础材料领域探索，经济效益和社会效益非常显著。而诸如短流程工艺生产不同尺度硬质相粒子协同作用的高强韧型贝氏体耐磨材料和引入Q&P工艺制备高韧塑性马氏体耐磨材料两种新型耐磨钢设计思路契合上述理念，符合社会和科技发展的趋势和潮流，必将有广阔的市场前景。