耐磨铸钢强韧性的研究进展

摘要：在合金化、热处理、变质处理、熔炼工艺等方面概述了耐磨铸钢强韧化技术手段的发展状况， 并展望了耐磨铸钢强韧化的进一步发展方向。

关键词：耐磨铸钢；力学性能；技术途径；进展

据统计，全世界每年钢铁材料消耗量达7亿吨以上， 其中有50%由于材料磨损而消耗掉了。根据我国冶金、矿山、农机、煤机、电力和建材5个系统的统计， 以及机械部门汽车、 拖拉机、工程机械的不完全统计， 估算我国年消耗金属材料达300万吨以上。材料磨损的原因之一是因其强韧性不足， 从而在冲击磨损条件下材料发生脆性剥落。因此， 如何提高金属耐磨材料的强韧性是一直追求的目标。目前，关于耐磨铸钢的研究已相当广泛，特别是近20 年来， 国内外根据用途和资源状况发展了一系列耐磨铸钢品种。而对于强烈冲击条件下使用的耐磨铸钢研究的还不多。本文从合金化、热处理、变质处理、熔炼工艺等方面对耐磨铸钢的强韧化影响进行了论述。

一、合金化

通过合金化途径提高耐磨铸钢的强韧性水平的研究取得了很大的进展， 近年来已逐步形成了以低合金、中合金直到高合金高强韧耐磨铸钢系列。奥氏体高锰钢具有高塑性、高韧性以及低裂纹扩展等特性，是一种极好的耐冲击磨损材料， 广泛应用于矿山、机械工程及其他经受冲击负荷的机械， 如挖掘机的斗齿、破碎机和磨球机的衬板、拖拉机和坦克的履带以及铁路道岔等产品。但是，高锰钢的耐磨性只有在高冲击负荷的工作条件下，才能表现出来；并且， 该钢屈服强度低， 初始硬度也低， 磨损较快， 变形严重， 造成拆卸维修困难， 严重影响生产率的提高。因此，在某些冲击载荷不高的场合， 其耐磨性就显得不足。针对高锰钢这些缺陷， 各国学者对其进行改型和合金化， 使其具有高强韧性和耐磨性。加入的合金元素主要有 C r 、M o、V 、W 、N b 等碳化物形成元素以及N i 等非碳化物形成元素。人们在对高锰钢进行改型和合金化的同时， 也不断地研制新的耐磨铸钢材料。19 世纪60 年代，Ro r m an 发明的中锰钢， 以及近年来研制、开发的空淬中铬耐磨钢， 他广泛应用于水泥、电力及冶金矿山等行业的球磨机衬板等零件。铬作为主加元素， 是因其能与铁形成连续固溶体， 在奥氏体中溶解度较大，可强化基体，提高基体的强度和硬度而不降低韧性。另外，铬在回火时能阻止或减缓碳化物的析出与集聚，使碳化物得到较大的分散度， 也有利于韧性的提高。在中铬铸钢中， 铬的含量一般控制在3. 0--6 . 0%之间。 通过对合金元素的探讨， 研制出一种铬钼铌耐磨铸钢， 该钢经空淬+回火热处理后， 得到马氏体+贝氏体+奥氏体多相混合基体组织， 经M n 13钢对比， 耐磨性增加了2倍。

二、复相组织

低合金马氏体耐磨铸钢是目前应用最广泛的一种耐磨材料， 一些发达国家从 20 世纪 30 年代就开始研制和使用， 国内在60年代才开始研制， 到80年代开始普及。此类钢的硬度比珠光体耐磨钢高1倍多， 耐磨性比奥氏体高锰钢还好， 适合低应力、多冲击条件下使用， 同时还具有一定的韧性。但这种抗磨材料强调选择马氏体组织， 因而材料的抗冲击疲劳性较差。自美国人B e i n 发现贝氏体转变后， 国内外学者对其进行了大量的研究。研究表明， 贝氏体组织中板条间膜状奥氏体是保证该钢具有强韧性配合的原因， 但该类钢的耐磨性相对较差。复相组织耐磨钢是在马氏体、贝氏体钢的基础上发展而来， 具有马氏体的高强度和韧性相的相互配合而获得良好强度和韧性， 使这种钢具有比单一马氏体高的韧性水平。复相耐磨铸钢主要包括奥氏体---贝氏体耐磨铸钢、马氏体--贝氏体耐磨铸钢和一些多相耐磨铸钢。 魏成富等人所研制的中碳低合金耐磨铸钢， 在铸态下就获得奥氏体---贝氏体为主的组织， 具有高硬度 （HRC 40--50） 、高韧性 （ ak15--45J / cm2） 和优异的抗磨性能。在铸态下使用不需重新热处理， 是传统高锰钢的理想替代材料。戴敦才等对钢进行等温淬火， 得到了M + B + A的复相组织， 提高了材料的强韧性和耐磨性。通过与M n 13 钢进行对比试验表明， 其所研制的多相耐磨铸钢比M n 13 钢要好。

三、变质处理

合金结构钢的显微组织一般均由基体和较基体硬而脆的强化相组成， 所以， 钢的强韧性取决于基体性能及强化相的形态与分布。改变基体组织以提高韧性主要是通过合金化和热处理方式来实现。而对第二相的形态和分布通过热处理方式则改变甚微。因此， 近年来， 人们开始用变质处理技术来改变碳化物的形态和分布， 并都取得了很好的效果和效益。

资料研究表明， 通过向 C r12 钢中加入变质微量元素 R e、M g等， 降低钢液中 S、 O 含量，增加共晶凝固过冷度， 使共晶组织细化及离异共晶数量增多， 同时， 变质处理后由于 S i 含量增加， 所生成的S i O 2 质点可作为碳化物的异质核心， 导致共晶碳化物大大细化。 同时， 由于稀土原子比铁原子的半径大， 造成周围晶格畸变以及增加空位型缺陷等， 有助于热处理过程中碳化物的溶解及C r 的扩散， 加速了碳化物的粒化过程。吕宇鹏等人通过对超高锰钢 （ M n 17） 进行变质处理的研究表明， 在该钢凝固过程中， 主要是碳和变质元素通过溶质偏析和异质形核来改善组织形貌。稀土元素铈的偏析系数高达0.925--0.956， 在变质作用中占主导地位。 碳虽是钢中常规元素， 但其偏析系数仅为0.72 --0. 87， 在凝固过程中， 总有一部分碳偏析于凝固前沿，起细化晶粒的作用。符寒光等人通过稀土和钾、钠等元素对ZG85C r12 M oN i钢进行变质处理， 得到了很好的效果。

四、熔炼工艺

目前， 关于耐磨铸钢件的的生产大都采用中频炉熔炼， 然后浇注获得。 但这种方法所生产的铸件内夹杂物很多， 而非金属夹杂物在钢中是非常有害的，可显著降低钢的强韧性。特别是高强度钢中的非金属夹杂物对性能的影响更为显著。非金属夹杂物对钢力学性能和工艺性能的影响主要是降低材料的塑性、韧性和疲劳性能， 尤其是夹杂物以网状、片状等不利的形状及分布特性存在时， 对材料机械性能的影响更为显著。钢中非金属夹杂物的危害性在于它破坏了钢基体的均匀连续性， 造成了应力集中， 在外力的作用下， 微裂纹首先在夹杂物上形核、长大、扩展而导致材料的断裂。因此，减少钢中的非金属夹杂物是提高钢强韧性的另一个主要途径。目前所采用的技术途径主要有炉外精炼、真空重熔以及电渣重熔等措施。国内外研究表明电渣重熔钢锭的夹杂物含量少， 洁净度高，组织结构致密， 接近锻钢的程度。因此， 在某些领域采用电渣重熔技术替代锻造成为可能。如天津铁路18 局利用该技术生产的内燃机车柴油机曲轴毛坯，替代原来的锻造毛坯， 取得了很好的应用效果和经济效益。因此， 通过冶金方法，在炼钢时采取一些措施，来改善夹杂物和碳化物的形态和分布， 成为当前强韧化研究的一个重要方向。

五、研究方向

目前， 关于高强韧耐磨铸钢的研究虽然取得了一定的成果， 但是在高冲击、高应力磨料磨损领域还存在一些不足。如T P M 型隧道掘进机所用的刀圈，该种掘进机的钻面直径为 8 . 8 m ， 同时装有 72 把滚刀， 工作过程中滚刀受总压力为 2 700 t ， 因此滚刀承受高应力、高冲击， 磨损相当严重， 现在需要从国外进口， 价格昂贵， 为节约外汇， 降低成本， 急需对刀圈进行国产化研究，来取代进口刀圈。目前， 在对如此高的应力条件下使用的钢材， 主要靠锻造来获得。通过锻造， 虽然可以使碳化物破碎， 并均匀分布， 再经过适当的热处理而使其细化， 从而使强韧性得到加强。但锻造工艺复杂， 始锻和终锻温度难以控制， 且锻件比较大， 这需要消耗大量的能源和动力。另外，锻造时易产生裂纹和过烧， 而且， 还要有相当数量的合金钢变成料头和切屑， 造成材料的浪费。因此， 对高强韧耐磨铸钢的研究势在必行。随着科学技术的进步和工业生产的需求， 对耐磨铸钢的性能要求越来越高， 不仅要求具有较高的耐磨性， 还要求有较高的强韧性。因此，关于高强韧耐磨铸钢的研究工作还应该从以下几个方面进行深入的研究。

5.1 强化工艺措施。从现有耐磨铸钢的强韧化途径上看， 方法很多，但用法比较单一， 不能满足高冲击、高应力条件下的使用要求。如何综合利用这些措施， 进一步提高耐磨铸钢的强韧性， 还需要进一步的研究。如将电渣重熔、变质处理和细化晶粒的一些热处理措施结合起来， 研究耐磨铸钢的强韧性 。

5.2 计算机优化设计。合金化与变质处理虽已证明对改变钢的强韧性起很大的作用， 但在合金元素与变质剂的加入种类和数量的选择上， 需要做大量的试验， 在时间和能源上都是一种很大的浪费。因此， 利用计算机技术， 对合金元素与变质剂进行优化和模拟， 将是未来耐磨铸钢发展的一个方向。

5.3 开发新工艺与新材料。快速凝固技术虽然在磁性材料上有所成就， 但根据其能形成溶解度比通常大得多的过饱和固溶体的特性， 从而显著提高耐磨材料的强韧性。微重力铸造以其特有的性能， 引起了学者们的广泛研究， 现有的铸钢材料， 都是在重力下获得， 因此不可避免地存在偏析， 严重影响钢材的强韧性。而在微重力条件下，这些现象几乎消失。但这些新技术在高强韧耐磨铸钢方面的应用研究未见报道， 需要进一步的研究与探讨。

参考文献

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