生產(chǎn)球磨機襯板的新型低合金耐磨鋼

球磨機是電廠、水泥廠、礦山、化工、冶金等行業(yè)生產(chǎn)中的主要制粉設備，襯板則是保證球磨機正常運轉(zhuǎn)的主要耐磨部件，目前廣泛用于制造襯板的材料中，使用最多的是高錳鋼，但當破碎物料受到的沖擊并不強烈時，由于高錳鋼具有的加工硬化性能不能充分得以發(fā)揮，使得高錳鋼襯板表現(xiàn)出了磨損快，使用壽命短的弱點。因此國內(nèi)一些高校、科研院所和耐磨材料企業(yè)先后開始研究替代高錳鋼的材料，其中低合金耐磨鑄鋼是目前研究較多的一種新型襯板材料。在各類抗磨件中，80%以上是在中、低應力沖擊磨損工況條件下使用，低合金鋼由于具有較高硬度和足夠韌性的綜合性能，并通過調(diào)整成分與熱處理工藝，可以在較大范圍內(nèi)控制硬度和韌性的合理匹配。這里總結(jié)了進入21世紀以來研制的新型低合金馬氏體、貝氏體和馬-貝體耐磨鋼，在實際使用中，這些低合金鋼表現(xiàn)出了較高錳鋼襯板優(yōu)良的使用性能。

1、低合金馬氏體耐磨鋼

由于低合金馬氏體鋼中存在的高位錯板條狀馬氏體具有高的硬度，可以較好地抵抗磨損時裂紋的擴展，因此具有優(yōu)異的力學性能和耐磨性，在中等沖擊磨損條件下，同奧氏體高錳鋼相比具有明顯的優(yōu)越性，綜合性能高出高錳鋼一倍多，因此近年來研制和開發(fā)的低合金耐磨鋼中，以馬氏體鋼的應用最廣泛。

碳是鋼中影響各項性能的主導元素，一般而言，高碳耐磨鋼耐磨性好而脆性大，因此低合金馬氏體耐磨鋼的碳含量主要是低碳如M-1、M-2號鋼和中碳如M-3~M-8號鋼，碳含量在0.26%~0.6%之間。低合金馬氏體鋼主要合金元素是Cr、Mo和Ni。鉻能顯著提高鋼的淬透性，并固溶強化基體，提高鋼的耐磨性，鉻還能細化晶粒和提高鋼的回火穩(wěn)定性，Cr的含量一般為0.5%~3.2%；加入適量的鉬能提高鋼的淬透性、回火穩(wěn)定性以及細化晶粒，鉬還有抑制回火脆性，改善韌性的作用，但加入量過多將使成本提高，故加入量一般為0.1%~0.8%；鎳和碳不形成碳化物，和鐵以互溶的形式存在于鋼中的α相和γ相中，使之強化，并通過細化晶粒改善鋼的低溫性能，強烈穩(wěn)定奧氏體，提高鋼的淬透性而不降低鋼的韌性，但價格昂貴，Ni含量一般為0.2%~1.8%。

添加的微量合金元素主要為B、RE、V、Ti、Cu等。硼是強烈穩(wěn)定奧氏體的合金元素，可替代Ni、Cr、Mo等貴金屬以顯著提高鋼的淬透性，固溶在鋼中的硼為0.001%~0.003%時提高淬透性最明顯，含硼量超過0.005%時，韌性降低，所以嚴格控制鋼中的含硼量。在鋼中的鈦是強碳化物形成元素，細化晶粒效果非常明顯，可以消除一般熱處理無法消除的一次結(jié)晶和晶界元素偏析，降低鋼在250~400℃之間的回火脆性，亦可提高淬透性，代替部分貴重元素，如Ni、Mo、Cr等。稀土在鋼中的有益作用日益受到重視，RE可以凈化鋼液，改善鑄態(tài)結(jié)晶組織，細化晶粒，增加鋼的致密度，改善夾雜物性質(zhì)、形態(tài)和分布，降低有害雜質(zhì)元素在晶界的偏析程度，使鋼的韌性得到提高。M-6號合金中加入銅，銅不形成碳化物，以固溶態(tài)存在于基體中，可改善鋼的韌度，提高淬透性。熱處理主要是通過淬火和低溫回火，淬火介質(zhì)包括油、水、空氣和水玻璃，以獲得回火馬氏體組織。

但低合金馬氏體鋼對化學成分控制和熱處理工藝要求較高，淬火工藝操作不當或化學成分控制不好，極易引起材料的開裂；回火溫度控制不好，易導致組織從回火馬氏體向回火屈氏體過渡，在磨損過程中，回火屈氏體的加工硬化率較小，因而耐磨性也較低。另外，該鋼主要靠馬氏體基體硬度來抗磨，在高應力磨料磨損條件下，耐磨性提高不多。

2、貝氏體低合金耐磨鋼

20世紀50年代，英國人Pickering等發(fā)明了Mo-B系空冷貝氏體鋼。Mo和B的結(jié)合可以使鋼在相當寬的連續(xù)冷卻范圍內(nèi)獲得貝氏體組織。Mo-B系或Mo系貝氏體鋼的出現(xiàn)受到世人的重視。清華大學方鴻生等在研究中發(fā)現(xiàn)，Mn在一定含量時，可使過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線上存在的明顯上、下C曲線分離；Mn與B結(jié)合，使高溫轉(zhuǎn)變孕育期明顯長于中溫轉(zhuǎn)變，以此成功地用普通元素進行合金化，發(fā)明出Mn-B系空冷貝氏體鋼。由于適量的Mn可導致其在中溫下在相界處富集，對相界遷移起拖曳作用，與B共同作用容易獲得貝氏體；同時Mn顯著降低貝氏體相變驅(qū)動力，使貝氏體相變溫度降低，細化貝氏體尺寸，改善韌性和強度。進入21世紀以來，國內(nèi)冶鑄工作者研制出了多種新型球磨機襯板貝氏體耐磨鑄鋼，實踐中表現(xiàn)出了優(yōu)良的綜合力學性能和耐磨性。

3、貝氏體+馬氏體的低合金耐磨鋼

20世紀60年代，人們在某些低合金高強度鋼中發(fā)現(xiàn)貝氏體-馬氏體復相組織的強韌性優(yōu)于單一馬氏體組織。而且由于淬透性的原因，一些大型高強度低合金鋼零部件淬火后常常含有一定量貝氏體-馬氏體復相組織。因此，21世紀以來貝氏體-馬氏體復相組織引起了人們的廣泛重視，研制出了許多貝氏體+馬氏體的低合金耐磨鋼。

貝氏體（B/M）雙相鋼是以Si、Mn、Cr、Mo為主要合金元素，加入適量Ni、Cu、V、Ti、B、Y、RE的多元低合金鑄鋼，通過空淬加回火的熱處理工藝，得到回火馬氏體組織+貝氏體為主的組織，具有硬度和韌性高、耐磨性好等特點。當鋼在連續(xù)冷卻過程中通過貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)時，過冷奧氏體分解為貝氏體，先析出的貝氏體將奧氏體晶粒進行侵害、細化，將原始奧氏體晶粒侵害成許多的細小區(qū)域，當冷卻到Ms溫度時，在貝氏體板條間隙中剩余過冷奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。板條馬氏體為高強度相，具有很高的抗拉強度和硬度，但韌性較差。貝氏體組織則在具有較高強度的同時具有較好的韌性。因此，試樣微觀組織為貝氏體和馬氏體雙相組織時，其強度和韌性都得以保證。研究表明，上貝氏體-馬氏體-馬氏體混合組織惡化鋼的性能，但下貝氏體-馬氏體組織能夠改善鋼的強韌性，在斷裂過程中當裂紋遇到下貝氏體-馬氏體界面及馬氏體板條束界時，裂紋韌脆轉(zhuǎn)變溫度，顯示出比回火馬氏體更高的強韌性。

4、結(jié)論

（1）低合金馬氏體鋼由于存在高位錯板條狀馬氏體，在中等沖擊磨損條件下，表現(xiàn)出較高錳鋼優(yōu)異的耐磨性能。

（2）加入合金元素Cr、Mo和Ni，適當加入微量合金元素V、Ti、B、RE、W、Nb、Ta、Y等獲得貝氏體低合金耐磨鋼，具有優(yōu)良的綜合力學性能和耐磨性。

（3）通過空淬加火的熱處理工藝，得到回火馬氏體+貝氏體為主的組織，具有硬度和韌性高、耐磨性好等特點。

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