耐磨钢组织研究及发展

耐磨钢的组织研究及发展应用

摘 要：本研究描述了几种新型耐磨钢的情况，包括国内外生产状况、研究现状及发展方向，其中重点介绍了准贝氏体高强耐磨钢、奥氏体耐磨钢及马氏体耐磨钢的组织结构及耐磨特点，用大量实验数据加以说明，如何获得最佳生产效果，并通过实用性指出耐磨钢开发应注重系列化和经济性。

关键词：耐磨钢；新型；发展方向；磨损研究

Abstract ：This study describes several new wear-resistant steel, including production situation at home and abroad, the present research situation and development direction, of which mainly introduces must bainite steel, high strength wear-resisting austenitic wear-resistant steel and martensite steel

wear-resisting of organization structure and wear-resisting characteristics, with a lot of experimental data to illustrate, how to get the best production effect, and through the practical points out that wear-resisting steel development should pay attention to the series and economy.

Keywords: Wear-resistant steel; New; Development direction; Wear research

1 前 言

摩擦和磨损是与机械设备整个运转系统有关的复杂过程，影响因素很多，相应地减少摩擦和提高耐磨性的措施也是多方面。然而，摩擦和磨损毕竟是发生在材料的表面层，因此，材料本身的特性是一个最基本的影响因素。随着科学技术和国民经济的高速发展，机械设备的运转速度越来越高，受摩擦的零件被磨损的速度也越来越快，其使用寿命越来越成为影响现代设备（特别是高速运转的自动生产线）生产效率的重要因素。

2 国内外生产现状

据统计，机械装备及其零件的磨损所造成的经 济损失占国民经济总产值4%左右。因此，解决磨损 和延长部件的使用寿命成为设计、制造和使用各种 机械设备时所需要考虑的首要问题，耐磨材料已成 为影响现代生产效率的重要因素。

近几十年来，高强度耐磨钢的开发与应用发展很快。这类钢是在低合金高强度可焊接钢的基础上发展起来的，耐磨性能好，使用寿命可达传统结构钢板的数倍;生产工艺较简单，一般采用轧后直接淬火加回火，或通过控轧、控冷工艺进行强化。

国内能生产高强度耐磨钢的厂家主要有舞钢、 武钢、宝钢、南钢等，主要品种为NM360～400。每年年消耗耐磨钢30万～60万t，通常使用的钢板厚 度为 6～80（100）mm。在耐磨钢生产工艺设备方 面，国内先后从国外引进数条机械化自动化生产线，并发展了结合国情的新型工艺设备。同时，采用炉外精炼与连铸等炼钢工艺新技术，使产品的内在质量、外观质量和使用性能都得到明显提高，金属消耗大幅度降低。一些厂家产品已达到或超过国际水平，出口到东南亚、日本、南非、美国、澳大利亚等地［1］，如舞钢生产的硬度HB≥360级的可焊接高强度结构用耐磨钢板，所制造的设备适用于高磨 损、高冲击的场合，也可作为屈服强度≥700 MPa的高强度结构钢使用。在不损失强度的前提下，钢板具有良好的冲击韧性及焊接性能，另外，沈重开发研制了硬度达HB 360的NMG360耐磨钢板，其性能指标基本达到国外同类产品水平［2］。

当前国外生产耐磨钢板的著名厂家和产品有： 瑞典奥克隆德生产的HARDOX系列；德国迪林根的

400V 和 500V；德国蒂森克虏伯（TKS）的 XAR400、 XAR450、XAR500；日本 JFE 的 EH360、EH400 和 EH500等。瑞典钢铁奥克隆德有限公司是SSAB瑞典钢铁集团的成员之一，拥有全球领先的淬火和回

火高端技术，是世界最大的耐磨钢板和超高强度钢板制造商，在世界淬火中厚钢板市场中占据60％的份额，其 HARDOX Extreme 耐磨钢板硬度达到 HB 700。20世纪60年代中期，德国TKS生产的具有高耐磨性能的特殊结构钢板经淬火或调质热处理，具有致密的马氏体或马氏体-贝氏体显微结构，钢板厚度最大可达100 mm。日本JFE20世纪50年代中 期开始生产和销售JFE EVERHARD系列耐磨钢板， 除传统级别外，还成功研发了超级耐磨钢EH-SP， 其耐磨性能已超过布氏硬度500级的钢板［3］。

3 耐磨钢的研究现状

3.1 准贝氏体高强耐磨钢

20世纪80年代，康沫狂教授提出了“准贝氏体” 这一概念，国内外许多学者对其力学性能进行了大 量研究。典型准贝氏体耐磨钢的成分见表1。

C

P

S

Si

Mn

Nb、Ti、V

≤0.21

适量 ≤0.02 ≤0.01 ≤1.2 ≤1.3

表1 准贝氏体耐磨钢化学成分（质量分数） %

通过研究表明［4］，准贝氏体钢的组织由贝氏体、铁素体和残余奥氏体组成，具有较高的强度和韧性，而碳化物的存在，严重影响了钢的性能。在准贝氏体钢中加入Si、Al等合金元素，能有效阻止碳化物的出现。准贝氏体组织中的残余奥氏体是碳的过饱和固溶体，磨损时在外力作用下部分残余奥氏 体发生诱发马氏体相变，形成高碳马氏体，形成硬质点。准贝氏体类似于低碳马氏体，具有良好的强 韧性和较高的破断抗力，硬质点耐磨，基体破断抗力高，磨粒不易断裂和脱落，使耐磨性提高。

葛兵［4］在典型贝氏体钢的成分基础上加入阻止碳化物析出的元素Si，开发出以贝氏体铁素体和残 余奥氏体组成的准贝氏体组织的高强耐磨钢，并对其相关性能进行了研究。结果表明，在适当的工艺下钢板可获得最佳的综合性能，具有良好的强韧性、耐磨性和焊接性。

程巨强等研究了热轧、低温回火和热轧、正 火、低温回火及轧态不同温度回火工艺对新型HB400 级高强度准贝氏体耐磨钢板的组织和力学性能及耐磨性能的影响。结果表明，该钢板具有良好的强韧性及耐磨性能，低温回火可以改善耐磨钢板的韧 性，新型耐磨钢板具有较强的回火抗力。用准贝氏 体钢生产高强度耐磨板具有生产工艺简单、成本低 廉等特点。

［5］

张亚丽的目的。

［6］

等通过TMCP工艺改善了准贝氏体耐 磨钢板的性能，加快了生产节奏，达到了高产稳产

3.2 无碳化物贝氏体铸钢

研制的牌号为ZG28CrMnSiNi大型装载机齿条无碳化物贝氏体铸钢热处理后的力学性能如表2所示。可以看出，无碳化物贝氏体钢正火回火处理后具有较高的强度，硬度HRC在42~43，油淬后强度较高，硬度HRC在47~49，而且油冷后铸件具有较高强度的同时，还具有较高的冲击韧度。分析不同冷却方式下强度和韧性变化的原因为，正火处理材料的强度和冲击韧度同油淬相比较低，可能与空冷的冷却速度较小，晶粒细化程度不大有关，而油冷时冷却速度较快，板条马氏体组织细化。透射显微镜分析表明，淬火获得的细化的马氏体板条之间分布一定数量的残余奥氏体薄膜，配合低温回火可以提高奥氏体膜的稳定性，提高材料的强度、韧性及其耐磨性。研制的无碳化物贝氏体钢铸造的齿条在国内某大型露天煤矿的装载机使用取得良好的使用结果。

表2 不同热处理齿条材料的力学性能

3.3 马氏体耐磨钢

热处理工艺 900℃油冷 +200℃回火 900℃空冷+200℃回火 /Mpa 1 720.0 1 491.1 δ5 /% 8.9 8.0 Ψ/% 31.94 23.44 aku/ （J·cm-2） HB 71.6 59.5 47~49 42~43

低合金马氏体钢采用Cr、Ni和Mo等元素合金 化，得到组织为高硬度高强度以及较好韧性的马氏 体组织，热处理工艺为淬火加回火。低合金耐磨钢 过冷奥氏体比较稳定，回火是为了降低或消除淬火 引起的残余应力及提高材料的塑韧性，降低其脆性， 获得硬度、塑性和韧性的适当配合［7］。低合金马氏体 钢中具有高硬度的高位错板条状马氏体，能够较好 地抵抗磨损时裂纹的扩展，同奥氏体高锰钢相比， 在中等冲击磨损条件下，该钢种具有优越的综合机 械性能。但缺憾之处在于它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，同时，其对化学成分控制和热处理工艺要求 也较高。典型马氏体耐磨钢的成分见表3。

C P S Si Mn Cr Mo B

≤0.30 ≤0.02 ≤0.01 ≤0.3 ≤0.3 ≤1.6 ≤0.4 0.003

表3 马氏体耐磨钢化学成分（质量分数） %

碳对低合金耐磨钢的性能影响很大，一般随着 碳含量的增加，钢的硬度会有较大的提高，但其塑 性、韧性也会明显下降。Cr显著改善耐磨钢的抗氧 化性，提高淬透性，增加其抗腐蚀的能力，提高耐磨 性。Ni在提高耐磨钢强度的同时，对其韧性、塑性 以及工艺性能的损害较其他合金元素的影响小。 Mo能促使马氏体的形成，增加淬透性并提高碳化物 的稳定性；Si提高耐磨钢中固溶体的强度并增加其回火稳定性；Mn 能降低临界冷却速度，并且是好的脱氧剂和脱硫剂；B 能成倍地增加材料的淬透性；稀土能改善耐磨钢的组织、细化晶粒、净化钢液。

4 发展方向

在各种合金耐磨钢领域, 国内已取得可喜的发展, 研制出相当数量的钢种, 今后的工作方向有以下几个方面。

( 1) 系列化。一方面建立从低碳到高碳; 从简单成分到复杂成分; 从无冲击低应力, 到大冲击高应力工况应用的低、中合金耐磨钢系列。一方面通过改进生产工艺、调整成分，进一步提高现有钢种的性能，扩大其应用范围

( 2) 优化筛选。从资源、能源、经济、技术多方面综合考虑筛选出符合我国资源, 节约能源消耗, 具有 经济效益, 技术可靠, 性能优越的低、中合金耐磨钢种。

( 3) 推广应用。大力推广优选成熟的、有发展前途的钢种, 充分发挥各种合金耐磨钢的作用。

5 结 语

无碳化物贝氏体耐磨钢无论正火或淬火热处理，材料都具有高的强度、韧性和耐磨性，低碳无碳化物贝氏体耐磨钢具有良好的焊接性能，实际应用具有良好的应用效果。近年来，随着国家制造业的快速发展，对高级 耐磨钢的需求逐渐上升，但是国内只有极少量能够 生产此类钢的企业，高质量的耐磨钢仍依赖进口。 随着钢铁行业结构的进一步调整，很多中厚板生产 线都引进了热处理生产线，生产高附加值的耐磨钢 将是今后的研发重点。先进高强耐磨钢的研究开 发、技术进步及产业化意义重大，对耐磨材料产业 的发展非常有益，我国的耐磨钢生产企业将很快步 入世界同业一流水平。

参考文献：

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［2］ 杨桂星，杨震华，周胜利，等.NMG360 耐磨钢板的研制 .大［J］型铸锻件， （2） 7-8.2008 ： ［3］ 罗丽军.国外高强度耐磨钢生产概述 .宽厚板，［J］2008，14（3） 46-49.：

［4］ 葛兵，宋波.准贝氏体高强耐磨钢的开发和工艺研究 .宽厚［J］板，2009， （2） 26-29.15 ： ［5］程巨强，徐振华，康沫狂，等.HB400 级高强度准贝氏体耐磨钢板的组织与性能［J］.钢铁，2004（7）：30-33. ［6］ 张亚丽，赵志毅，张西忠.通过TMCP 工艺改善准贝氏体耐磨钢板性能［J］.宽厚板，2006，12（1）：20-23.

［7］ 梁高飞，许振明，李建国，等.抗磨钢的最新进展［J］.特殊钢，2002，23（4）：1-7.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qkvg.html