耐磨钢研究进展

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②锰、硅，锰是显著提高淬透ｔ牛的元素，而且我 国锰资源丰富，价格低廉，因而成为低合金耐磨钢的 主加元素，一般添加１％一２％。研究发现，当锰量 在２％一３％范围内，与硼相配合，可凸出贝氏体转 变区，在较大冷速范围得到贝一马组织，获得空冷贝 氏体钢。硅也是我国资源丰富的元素，一般加入硅 的作用是推迟￡一＊至ｃ。的转变，抑制第一类回火 脆性，改善马氏体的同火稳定性，提高回火温度，获 得较好性能，一般加入１％～ｌ ５％。当硅加入量至
④微量元素，Ｔｉ，Ｎｈ，ｖ微量可细化晶粒、改善韧 性；微量硼可提高淬透性，还可在Ｍｎ的配合下获得 窄冷贝氏体钢；稀土元素（ＲＥ）町脱氧、去硫、清除有 害杂质、细化晶粒，减少枝晶偏析，改善韧性．提高钢 材质量。 ３．３低、中合金耐磨钢的组织设计
具有良好耐磨性的组织应能提供较高的硬度和 足够的韧性，以下分析较高硬度下的组织状态的韧 性和耐磨性。低、中合金钢中淬硬态的组织有马氏 体（包括板条马氏体和片状马氏体）、贝氏体（上、下 蛐氏体）、残余奥氏体和未溶碳化物等。研究得出： ①板条马氏体在准解理断裂时有较小的断裂单兀 （同位向末）和较多的撕裂苓而消耗断裂功，从而提 高ｒ劬性，而片状马氏体断裂荦元大，并有微裂纹造 成脆性。因此，板条马氏体韧性高于片状马氏体。 ②下叭氏体以不同位向的铁素体板条为最小断裂单 元，其韧性较相同硬度的叫火马氏体高，也高｛‘上贝 氏体。③残余奥氏体存在丁马氏体板条或马氏体片 间，也存在于下贝氏体组织中。因其能使应力松驰， 阻碍裂纹扩展，材料断裂时吸收能量增加，而使韧阵 改善。①未溶碳化物会引起应力集中，形成裂纹源， 有利于裂纹扩展，加速脆断，降低韧性。粗大连续碳 化物较分散，细小碳化物对韧性危害更大。
金属耐磨材料包括耐磨钢和耐磨铸铁，耐磨钢 中有高合金的高锰钢和低、中合金耐磨钢，耐磨铸铁 有低铬白口铸铁和高铬白口铸铁。以下分别讨论耐 磨钢的高锰钢和低、中合金耐磨钢。
左右），届服强度也低，容易变彤。因此，提高其耐磨 性和厢服强度的重要途径是采用台金化以强化基 体。如添加铬、钼可引起尉溶强化，因钼较贵，国内 多用铬强化。加入钛形成碳化钛，可引起弥散强化， 并可细化结晶组织。国内某些广矿发展钢种 Ｍｎｌ３ＣＩ仍（甜（Ｃ）＝１．４％～１．６５％，甜（Ｃｒ）＝２％， ”（Ｔｉ）＝１．０％～１．５％）用于冶金矿山衬板，破碎硬 矿石和中硬矿石，其使用寿命比高锰钢提高５０％～
当前研究方向；并讨论了低、中合金耐磨钢的合金设计和组织设计。
关键词：唐料磨损机理；高锰钢；低、中夸金耐磨钢
中国分类号：ＴＢｌ４２．７２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００６—６４４６（２００３）０２—００２９一０４
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在不同磨损条件下，耐磨性主要决定于硬度。 而高锰钢以奥氏体为基体，起始硬度不高（约２００ＨＢ
２．２ ３＿［艺改进 一般高锰钢工件铸后进行水韧处理以获得单一
奥氏体组织，工艺上新的进展是铸后利用余热淬化， 不需再经加热进行水韧处理，可以简化＿［艺、节约能 源、缩短生产周期、提高经济效益。进行余热处理， 需要对具体铸件冷却时温度与时间关系进行较精确 测定，严格控制好冷却开箱时间和淬火温度以保证 质量。国内有单位曾采用铸后余热淬火于锤式破碎 机锤头，寿命与进行水韧处理的高锰钢相当。
３低、中合金耐磨钢
３．１低、中合金耐磨钢的特点 低、中合金耐磨钢是很有发展前途的一类耐磨
材料，具有以下特点。 （１）合金含量较低，一般低合金钢为３％～５％，
中合金钢为６％～８％。所加合金元素为国内资源 ＝Ｆ富元素，如ｃｒ，ｓｉ，Ｍｎ，Ｂ，ＲＥ等，而少含或不含贵
万方数据
第２５卷第２期
仝健民：耐磨钢研究进展
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１删） （清华大学材料科学与工程系，北京
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摘要：分析了磨料磨损机理和对耐磨材料的一般性力学性能要求；在此基础上，提出了高锰钢的不足殪其
７０％。
２．２．２中锰合金化 降低锰含量至６％。８％，得到中锰奥氏体钒，
由于降低锰含量，可提高Ｍ。和Ｍ．点，使Ｍ。低于室 温，Ｍｄ高于室温，水韧处理后单相奥氏体在室温下 磨损中变形可以诱发马氏体相变，从而提高加工硬 化能力。即使在低冲击，较小应力下工作，也会因形 变诱发相变而显著硬化，使耐磨性提高。从而扩大 了中锰钢的应用范围。国内研制的中锰钢有 １３Ｍｎ７，１０Ｍｎ７Ｃｒ２等系列，与高锰钢相比，其韧性有 所降低，耐磨性则有较大提高，如表ｌ所示。
表１高、中锰钢韧性耐磨性比较
材料 高锰钢
１３Ｍｎ７ ０Ｍ一“２
韧性／（Ｊ／∞，） “∞
８３一１１５ １８一笠
相对耐密件
ｌ １ ｑｌ ｌ ６９
２高锰耐磨钢
２．１高锰钢特点 高锰钢指“，（ｃ）＝１．０％～１ ４％洲（Ｍｎ）＝１１％
一１４％的钢，经１ ０００～１１００℃水韧处理，可获得单 一奥氏体组织，具有高的韧性和加工硬化性能。自 １８８２年问世以来，已有１００多年的历史，成为传统的 耐磨材料，受到广泛的应用，我国２０世纪５０～６０年 代几乎把高锰钢作为万能的耐磨材料使用。但在使 用实践中发现，高锰钢的耐磨性是有条件的，只有在 冲击大、应力高、磨料硬的情况下，高锰钢才耐磨。 而且其屈服强度低、易于变形。因此，在许多领域已 逐渐为其他耐磨材料所代替。高锰钢要扩大其应用 范围，必须进行改进性研究，进一步提高其耐磨件。 ２．２高锰钢研究方向 ２．２ ｌ高锰合金化
’３１＿
重稀缺元素（Ｎｉ，Ｍｏ），易于推广应用，经济合算。 （２）具有较高硬度．足够韧性的综合性能，在硬
度大下５０ＪＩＲｃ的情况下，韧性。ｋ值町达２０～４０ Ｊ／ｃｍ２，采用低合金、多无素，复合合金化获得淬硬态 组织，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均可获得较好的耐磨性。
ｌ耐磨材料和磨损机理ຫໍສະໝຸດ Baidu述
１．１研究和发展耐磨材料的意义 材料的破坏有３种形式：即断裂、腐蚀和磨损。
材料磨损尽管不象另外两种形式，很少引起金属工 件灾难性的危害，但其造成的经济损失却是相当惊 人的。据早期统计，由磨损造成的经济损失，美国约 １５０亿美元／年，两德约１００亿马克／年，前苏联约 １２０亿卢布／年。在各类磨损中，磨料磨损又占有重 要的地位，在金属磨损总量中占５０％，在冶余矿山、 建材、电力、农机、煤炭等行业密料磨损尤为严重。 因此，研究和发展用于磨料磨损条件下的耐磨材料， 以减少金属磨损，对国民经济有重要的意义。 １．２磨料磨损机理及对耐磨材料的要求
成分设计主要考虑ｃ，№，ｓｉ，ｃｒ，Ｍｏ及其他微晕元
素的作用及含量。 ①碳，是影响低、中台金耐磨钢组织性能的关键
元素，其变化幅度很大。有低碳（０．１％～ｏ．３％），中 碳（０．３５％～０ ４５％），中高碳（Ｏ．５％～Ｏ．７％）和高 碳（Ｏ ８％～１．２％）。碳量不同可获得硬度和韧性的 不同匹配关系，低碳合金韧性较高而硬度偏低，高碳 合金硬度高而韧性不足，中碳合金则有较高硬度和 良好韧性。目前，低合金耐磨钢中碳量以中碳（中高 碳）为主，个别也采用高碳，如Ｇｃｒｌ５。中合金耐磨 钢则多用高碳，以与钢中的铬形成过剩碳化物充分 发挥铬的作用。
收稿日期：２００２一０９—２０ 作者简介：仝健民（１９３３一），男，山西太原人，清华大学材料科学与工程系教授，从事磨损机理与耐磨材料的研究工作
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．３０．
水利电力机械
２００３年４月
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极限．会产生裂纹，裂纹扩展连接引起疲劳脱落造成 磨损，变形疲劳磨损具有低周应变疲劳性质，其耐磨 性以材料的硬度和塑性（韧性）综合判据。第二种疲 劳磨损是剥层疲劳磨损，即在软磨料或硬磨料作用 下基体材料变形硬化后，由于接触应力的作用，在其 亚表层形成裂纹，裂纹扩展，连接至表面，以薄层脱 落，表面留下形态不规则的剥落坑。这类磨损具有 应力疲劳性质，其耐磨性主要以材料硬度为判据，并 与韧性一定相关。 ｌ ２．３脆断磨损
第２５卷第２期 ２００３年４月
水利电力机械 ＷＡＴＥＲ ＣＯＮＳＥＲＶＡＮＣＹ＆ＥＩＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ
·材料工程·
Ｖ。ｌ ２５ Ｎ。·２ Ａｐｒ－：Ｚ００３
耐磨钢研究进展
ＰＩ＿０９ｒｅｓｓ ０ｆ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｓｔｅｅｌｓ
仝健民
切削磨损是硬磨料磨损条件下的主要机制，磨 料硬度大于材料硬度，磨料在载荷法向分力的作用 下剌人材料表面，在水平分力作用下相对滑动的削 金属，形成切屑，在磨损表面形成沟槽。切削磨损量 取决于材料硬度，硬度愈高，切削量愈少，提高材料 硬度，可降低材料磨损。 ｌ ２．２疲劳磨损
疲劳磨损包括两种类型，第一种是变形疲劳磨 损，是在硬磨料相对滑动磨损或冲击磨损的条件下， 磨料切削或凿削的同时，伴随有切削沟槽或冲击凿 坑中材料的塑性变形，挤向沟槽或凿坑的周围，而且 在后继磨料的作用下，被推挤出的金属承受反复变 形、辗压。当某些变形严重部位应力超过材料疲劳
磨料磨损机理显示磨损的本质和规律，为耐磨 材料的研究和发展提供依据。
磨料磨损有不同类型，就参加磨损的物体数目 可分为二体磨损和二体膳损；就工件表面承受府力
和冲击的大小可分为凿削式、高应力碾碎式和低应 力擦伤式３类；就磨料与工件相对硬度的夫小可分 为硬磨料磨损和软磨料磨损。各类磨损中机制有所 不同，但可归纳为以下几种基本型式。 １．２．１切削磨损
２％～３％时，可强烈抑制贝氏体转变中碳化物的析 出，获得无碳化物贝氏体，在此基础｝‘，国内研制冉 新型Ａ—Ｂ低合金钢。
⑧铬、铝，铬、铝都是提高淬透性和同火稳定性 的元素，钼还可改善韧性。铬是中合金耐磨钢的主 加元素，其含量可达４％～７％，在低合金耐磨钢中 一般加人Ｉ％～３％，钼在性能要求较高的合会系统 中加入，含量０．２％～０．５％。
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（３）具有良好淬透性，适当调整合金元素，可使 不同尺寸上件淬透．也为窄冷淬硬简化热处理丁艺 提供条件。
（４）生产灵活易行，视工厂条件，可铸、可铬、也 可轧制生产。
（５）价格相对低廉，经济效益较高。 因而，低、中台金耐磨钢有广阔的应刚前景和重 要的推广价值。 ３．２低、中合金耐磨钢的合金设计 （１）合金设汁的判据。有３个方面。 ①战略判据。从资源、能源考虑，要求合金资源 丰富，符合国情，节约能源，有利于推广应用和长远 考虑。②经济判据。要求经济合算．成本低廉，总的 经济效益高。③技术判据。要求性能、组织、结构最 优化，能获得最佳组织状态，满足对耐磨材料的性能 要求。 （２）碳及合金元素分析，低、中台金耐磨钢合金
在硬磨料及冲击条件下，材料中的瞻性相（如碳 化物）或较脆基体（如马氏体）会发生脆性断裂、大块 剥落，而形成磨损，这种脆断磨损与材料的冲击韧性 及断裂韧性直接相关。
以上各类磨损机制大多是以不同比重综合发 生，困工况条件不同各类磨损比重不同。
根据各类磨损机理与材料性能的关系，可提出 对耐磨材料的常规要求。①较高硬度、一定塑性；② 足够韧性和脆断抗力；⑧高的应变疲劳和剥层疲劳 抗力；④高的淬透性和获得足够深的淬透层；⑤良好 的工艺性和生产工艺方便易行。 １．３耐磨材料类型