耐磨钢的开发与应用

目录

1.耐磨钢简史

2分类

2.1 高锰钢

2.2准贝氏体高强耐磨钢

2.3低合金耐磨钢

2.4高铬复合耐磨钢

3.技术发展

耐磨钢简史

耐磨钢作为一种专用钢大约始于十九世纪后半叶。1883年英国人哈德菲尔德

(R0.A0.Hadfield)首先取得了高锰钢的专利，至今已有100多年的历史，高锰钢是一种碳含量和锰含量较高的耐磨钢，这个具有百余年历史的古老钢种，由于它在大的冲击磨料磨损条件下使用时具有很强的加工硬化能力，同时兼有良好的韧性和塑性，以及生产工艺易于掌握等优点，因此，目前它仍然是耐磨钢中用量最大的一种(尤其是在矿山等部门)。近几十年来，低、中合金耐磨钢的开发与应用发展很快，由于这些钢具有较好的耐磨性和韧性，生产工艺较简单，综合经济性合理，在许多工况条件下适用，而受到用户的欢迎。为了适应矿山采运机械与工程机械发展的需要，所研制的高硬度耐磨钢板，20世纪70～80年代在国际上已形成系列并标准化。

分类

耐磨钢种类繁多，大体上可分为高锰钢，中、低合金耐磨钢，铬钼硅锰钢，耐气蚀钢，耐磨蚀钢以及特殊耐磨钢等。还有一些在研发的钢。

高锰钢

高锰钢(high manganese steel)是指含锰量在10％以上的合金钢。

化学成分：高锰钢按照国家标准分为5个牌号，主要区别是碳的含量，其范围是0.75%－1.45%。受冲击大，碳含量低。锰含量在11.0%－14.0%之间，一般不应低于13%。超高锰钢尚无国标，但锰含量应大于18%。硅含量的高低，对冲击韧度影响较大，故应取下限，以不大于0.5%为宜。低磷低硫是最基本的要求，由于高的锰含量自然起到脱硫作用，故降磷是最要紧的，设法使磷低于0.07%。铬是提高抗磨性的，一般在2.0%左右。

高锰钢的铸态组织通常是由奥氏体、碳化物和珠光体所组成，有时还含有少量的磷共晶。碳化物数量多时，常在晶界上呈网状出现。因此铸态组织的高锰钢很脆，无法使用，需要进行固溶处理。通常使用的热处理方法是固溶处理，即将钢加热到1050～1100℃，保温消除铸态组织，得到单相奥氏体组织，然后水淬，使此种组织保持到常温。热处理后钢的强度、塑性和韧性均大幅度提高，所以此种热处理方法也常称为水韧处理。热处理后力学性能为：σb615～1275MPa σs340～470MPa ζ15%～85% ψ15%～45% aKl96～294J/cm2 HBl80～225。

奥氏体组织的高锰钢受到冲击载荷时，金属表面发生塑性变形。形变强化的结果，在变形层内有明显的加工硬化现象，表层硬度大幅度提高。低冲击载荷时，可以达到HB300～400，高冲击载荷时，可以达到HB500～800。随冲击载荷的不同，表面硬化层深度可达10～20mm。高硬度的硬化层可以抵抗冲击磨料磨损。高锰钢在强冲击磨料磨损条件下，有优异的抗磨性能。在低冲击工况条件下，因加工硬化效果不明显，高锰钢不能发挥材料的特性。常规成分的高锰钢的形变硬化层中常可以看到高密度位错、位错塞积和缠结。ε马氏体和形变孪晶的出现使钢难以变形，尤其是后者的作用更大。上述各种因素都使高锰钢的硬化层得到很高程度的强化，硬度大幅度提高。

用途：高锰钢是专为重工业提供使用的一种防磨钢材，应用领域包括采石、采矿、挖掘、煤炭工业、铸造和钢铁行业等。

性能特点：经防磨技术处理后，材料表面可达到500--550 布氏硬度，继续保持内部柔韧度，表面摩擦力最小化，可用高锰钢或类似材料进行焊接，可被乙炔氧炬切割，无磁性等。为提高高锰钢的性能进行过很多合金化、微合金化、碳锰含量调整和沉淀强化处理等方面的

研究，并在生产实践中得到应用。介稳奥氏体锰钢的出现则可较局大幅度降低钢中碳、锰含量并使钢的形变强化速度提高，可适用于高和中低冲击载荷的工况条件，这是高锰钢的新发展。

准贝氏体高强耐磨钢

结构：准贝氏体钢的组织由贝氏体铁素体(BF)和残余奥氏体(AR)组成,钢中的BF是碳的过饱和固溶体,具有较高的强度和韧性，一般的典型上贝氏体是BF及在其间分布着平行于其长轴的贝氏体碳化物(BC)的混合体，典型的下贝氏体是BF及在其上分布着与长轴约55°～66°角的BC的混合体。由于碳化物的存在,严重影响了钢的组织和性能，为避免BC的出现,在准贝氏体钢中加入Si、Al等阻碍碳化物析出的合金元素，使贝氏体转变明显分为两个阶段，在贝氏体孕育期内，过冷奥氏体形成贫碳区和富碳区，BF在过冷奥氏体的贫碳区切变形成，其间分布着富碳的残余奥氏体薄膜(AR),此时处于贝氏体转变的初期阶段，此类贝氏体即为准贝氏体。

为获得准贝氏体组织，使钢板达到良好的力学性能，同时兼顾舞钢目前的生产现状及特点，在实际生产中。采用了相应的措施：1)加入一定量的Si，抑制碳化物的析出；2)通过合理的合金化，使准贝氏体钢的CCT曲线如图3所示，从而保证在很大的冷速范围内可获得准上贝氏体、准下贝氏体或它们的混合组织；3)由于准贝氏体组织在光学显微镜下呈粒状或针状形貌，冷速慢，粒状较多，冷速快，针状较明显。故在生产中，采用ACC加速冷却工艺，使该钢的准贝氏体组织呈针状，从而获得良好的力学性能。

图3 准贝氏体耐磨钢CCT曲线

性能：准贝氏体的组织特征赋予准贝氏体钢独特的优异性能。碳原子的间隙固溶体强化和板条亚结构的细晶强化，使准贝氏体钢具有优良的强度特性；以薄膜、细片或小岛存在的残余奥氏体，具有较好的稳定性，在应力作用下不易发生转变，仍以韧性相存在，可以吸收应变能并使裂纹出现分枝或钝化，增加裂纹扩展阻力，即使发生应力或应变诱发马氏体相变，稳定性高的残余奥氏体则需消耗更多的能量，使应力或应变松弛，从而使冲击韧性提高。

准贝氏体钢良好的耐磨性与其组织也存在一定的关系。研究表明,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，BF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。

应用：1 采用合理的成分及合适的工艺，可以得到准贝氏体组织的高强耐磨钢。

2 准贝氏体高强耐磨钢具有与众多钢种不同的热处理特性，即低温回火可获得理想的综合性能。

3 准贝氏体高强耐磨钢具有良好的耐磨性和焊接性能。