高性能低合金耐磨钢研究进展

王一鸣 王晓南 刘红艳 刘珍光 陈子刚

摘 要：低合金耐磨钢作为一种耐磨材料已广泛应用于诸多磨损领域，但其耐磨系统的机理研究及磨损性能研究仍不够完善。因此，为了更好地拓宽低合金耐磨钢在此领域的应用，系统总结耐磨钢研究目的和发展现状，从分类、性能、影响因素等方面进行总结概述，阐明当前低合金耐磨钢的相关研究进展情况，最后结合现有研究和未来需求，对低合金钢的广泛应用及亟待解决的问题和今后发展趋势进行了总结和展望。

关键词：低合金耐磨钢；合金元素；磨损性能

RESEARCH PROGRESS OF HIGH PERFORMANCE LOW ALLOY WEAR-RESISTANT STEEL

Wang Yiming1    Wang Xiaonan2    Liu Hongyan3    Liu Zhenguang1     Chen Zigang3

（1. School of Materials Science and Engineering， Jiangsu University of Science and Technology    Zhenjiang    212100， China; 2.School of Iron and Steel， Soochow University    Suzhou    215137， China;

3.Technology Center， HBIS Group Hansteel Company    Handan    056000， China）

Abstract：As a kind of wear-resistant material， low alloy wear-resistant steel has been widely used in many abrasion fields， but the research on the mechanism of its wear-resistant system and wear performance is not perfect. Therefore， in order to better broaden the application of low alloy wear-resistant steel in this field， this paper systematically summarizes the research purpose and development status of wear-resistant steel， summarizes and outlines from the aspects of classification， performance， influencing factors， etc.， and elucidates the current progress of research related to low alloy wear-resistant steel， and finally， combines the existing research and the future demand， summarizes and outlooks on the wide application of low alloy steel as well as the problems that need to be solved urgently and the development trend of the future.

Key words： low alloy wear-resistant steel; alloying elements; wear performance

0    前    言

耐磨钢具有优良的耐磨性及较好的强韧性，能够有效抵抗磨损和冲击给设备带来的损耗，在特殊工作环境下能得到更突出体现，被广泛应用于采矿、建筑、电力以及冶金等机械产品上[1-3]。研究指出，全世界工程机械零件失效中80%以上是由磨损产生，世界能源有1/3～1/2消耗由摩擦磨损导致[4]。因此，改善耐磨钢摩擦学性能对实现工业现代化发展及能源消耗经济化具有重要意义。

１    耐磨钢铁材料概述

耐磨钢是我国重要结构材料，可分为三类：高锰钢、高铬铸铁以及低合金耐磨钢。高锰钢作为传统耐磨材料，其原因在于表层奥氏体组织可以在强烈冲击或重力挤压作用下转变为层错孪晶强化的马氏体，使表面迅速硬化，硬度从170～225 HB提升到500～800 HB，而心部依然保持原有的硬度和韧性，其典型组织如图1所示[5-6]，在摩擦磨损过程可诱导奥氏体→马氏体转变，马氏体具有优异耐磨性，从而实现“越磨越硬”功效。然而，奥氏体高锰钢仅在高应力和高载荷的工况下表现出较高耐磨性，在冲击磨损工况下易出现裂纹和剥落，导致耐磨性急剧下降，且其耐磨性在中低应力条件下表现相对较弱，应用范围相对局限[7]。

第二类耐磨钢铁以高铬合金铸铁为主，其优异耐磨性在磨料磨损条件下尤为突出。高铬铸铁主要强化相为（Cr，Fe）xCy，其不同形态下显微组织如图2所示[8-10]，不同析出相所对应的强度及硬度提升均不相同。（Cr，Fe）3C为渗碳体型碳化物，其显微硬度在840～1 100 HV，但是由于其所固有的斜方晶体结构，在磨损过程中易从基体中脱落；（Cr，Fe）7C3型碳化物主要为板条状及六方棱柱型，弥散分布非网状碳化物作为第二相显著提高基体的耐磨性，显微硬度为1 600～1 900 HV；（Cr，Fe）23C6为面心立方结构，显微硬度为1 000～

1 100HV。因此，高铬合金铸铁在各种工况下均具备良好耐磨性，其服役寿命也能满足复杂的工况条件。由于其化学成分中需要添加大量Cr及Ni等贵金属元素，同时需要满足第二相强化的过程中所需的C元素，过高C容易导致材料的脆性增加，因此其工艺相对复杂、要求严格，导致生产成本较高，从而限制了在工业生产中使用范围[11]。

针对高锰钢应用场合的局限性及高铬合金铸铁服役生产过程中的诸多问题，合金钢逐渐成为新一代耐磨金属的研究方向，特别其可以通过合理的化学配比、热处理和轧制等方法，获得较高强度及硬度[3]。低合金钢通常是指合金元素总量小于5%的合金钢，具有较高的硬度和韧性[12]。依据组织主要分为马氏体耐磨钢、贝氏体耐磨钢及复相耐磨钢。马氏体组织具备高强度、高硬度的特点，在低合金马氏体钢磨损过程中可以较好抵抗磨损时裂纹的扩展[13-14]。贝氏体钢经历了从Mo、Mo-B系到Mn-B系贝氏体钢转变，但当Mn元素添加量大于2%后容易导致严重的偏析，且钢中N元素易与B元素化合，恶化淬透性及强化效果。贝氏体组织兼具强度和硬度的同时比马氏体具有更好耐磨性。近年来，针对贝氏体钢研究人员制备出超级贝氏体钢能够同时兼具超高强度及优异的韧塑性，为贝氏体钢研究提供了新思路[15-16]。目前，针对低合金耐磨钢的一系列产品由于注重强度、硬度及耐磨性而忽视了塑性及韧性，导致合金钢的综合性能无法满足要求。因此，研究在单一奥氏体、贝氏体及马氏体的基础上，结合双相钢强韧性的设计理念来改善耐磨钢的整体性能。通常双相耐磨钢包括马氏体-铁素体组织、马氏体-贝氏体组织和奥氏体-贝氏体组织。马氏体-铁素体耐磨钢主要应用于强度较小的汽车领域；马氏体-贝氏体耐磨钢具有最为优异的耐磨性，并可以通过TMCP和热处理工艺进行组织调控，加入一定量Ni、Cu、Ti可以提高强度及韧性，但由于片状马氏体及下贝氏体在低合金钢中其显微组织较难区分，因此相关研究并未表明马氏体、贝氏体形态和比例分数对耐磨性的影响 [17]；奥氏体-贝氏体耐磨钢主要利用Si、Cr、V、Nb等元素合金化，在保证贝氏体高强度组织的同时通过C、Mn 元素对奥氏体组织的化学稳定作用来增加磨损过程中裂纹扩展阻力。

2    合金元素在低合金耐磨钢中作用

低合金耐磨钢因其卓越强度、塑性、韧性等综合性能及良好耐磨性，成为耐磨钢铁材料研究重点，新一代低合金耐磨钢中往往加入诸多合金元素，其种类及含量对耐磨钢种的研发和应用有决定性作用。国内外针对低合金耐磨钢的组织性能调控，主要集中在Ti、Cr等元素。

2.1    Ti元素的作用

Ti元素在低合金耐磨钢中活性极强，能够与C、N元素形成析出物，析出的TiN、Ti4C2S2、TiC 或 Ti（C，N）等第二相能够阻碍晶粒正常长大，改善钢综合性能。针对低合金耐磨钢的大多数研究中，Ti含量的质量分数均控制在0.05%～0.20%之间。Ti在钢中的固溶公式为[18]：

Ti（固溶温度）=60×exp（Ti%/0.07）+1 076℃                                                                                   （1）

当钢中钛含量达到 0.2%以上时，在基体中会生成大量微米纳米级多尺度复合TiC颗粒，提高钢材强度与耐磨性，但同时也会析出大量有尖锐棱角TiN、Ti4C2S2，严重损害钢的韧性[19]。李德发通过在HB500耐磨钢中引入0.05%～0.09%的微量Ti元素，最大限度地利用Ti元素的析出强化和细化晶粒作用，提高了HB500耐磨钢的强韧性和综合应用性能要求[1]。Kostryzhev通过对比马氏体耐磨钢中的Ti/C比，发现其硬度和强度与其呈正相关，但是粗大的Ti（C，N）化合物会阻碍Fe3C碳化物析出[20]。Ding Wang通过研究不同Ti含量（0～0.4%）对耐磨钢组织性能的影响，发现Ti含量为0.2%时，有最高的抗拉强度及最低的磨损率，且随着Ti含量的增加，其磨损率先降低后增加[21]。

2.2    Cr元素的作用

Cr元素作为低合金耐磨钢中的主要合金元素，不仅能够提升淬透性，还能在提升强硬度的同时不恶化塑韧性。此外，Cr元素还能与C元素产生多种形式的碳化物，并降低奥氏体临界转变温度，在耐磨钢中其含量一般为0.5%～3.2%[13]。桂晓露通过设计不同Cr含量（0.3%～1.2%）的低合金耐磨钢，结果表明，随着Cr含量的增加，试验钢的硬度增加，但是冲击性能下降，Cr含量为0.6%的耐磨钢拥有良好的强韧性配合且耐磨性能高于传统高锰钢的30%[22]。李红探究耐磨钢中加入不同含量的Cr（0～1%）元素的作用，研究结果表明，Cr会对马氏体/贝氏体双相耐磨钢中马氏体相分数、硬度、耐磨性及冲击韧性起协同作用[23]。姚耔杉通过探究合金元素 Cr 和 Ni 对低合金耐磨钢相变、力学性能和磨损性能的影响规律及强化机理，发现Ni 和Cr元素均可有效改善耐磨钢的力学性能，Cr 元素对于抗拉强度和布氏硬度的提升效果更为明显，但复合添加Cr和Ni元素会降低耐磨钢低温冲击韧性，其耐磨性在磨损初期有较高提升[2]。

2.3    其他合金元素

Mn元素能够显著提高钢的淬透性，是低合金耐磨钢的主要合金元素，一般加入的体积分数为0.5%。Mo元素通过抑制回火脆性提高其稳定性。此外，国内外研究中可以通过添加N、Nb、B、Cu、V等微量元素替代Ni、Cr、Mo等贵金属元素。N（0～0.08%）和V（0～0.03%）的加入可以促进针状铁素体形成，起到分割奥氏体晶粒、细化马氏体板条束的作用。加入Cu元素（0.5%）能够在保证低温韧性的同时提高屈服强度，增加奥氏体稳定性。Ni 的添加会使得耐磨钢在低冷却速率下抑制铁素体相变，促进贝氏体相变；在高冷却速率下促进马氏体相变，且Ni元素会固溶于α和β相中产生强化，其含量一般为0.2%～1.8%。加入Nb元素能够提升耐磨性的原因主要在于耐磨钢在奥氏体化过程中析出纳米级的细小NbC第二相，对奥氏体晶界起钉扎作用，抑制晶粒的长大[24-26]。

3    制造工艺参数对低合金耐磨钢组织和耐磨性的作用

除了合金元素影响之外，耐磨钢在制造过程中其工艺参数的变化也会对其组织和性能产生较大影响，目前研究学者主要对耐磨钢的热处理工艺及轧制过程中不同参数的影响进行了研究。

3.1    热处理工艺

针对低合金耐磨钢的热处理工艺，一般都是通过淬火与回火来获得板条马氏体和少量分布在板条间的残余奥氏体，同时通过深冷处理减少残余奥氏体对组织性能的影响。低合金耐磨钢一般的淬火温度为850～920 ℃，随着淬火温度的升高，马氏体晶粒随原奥氏体晶粒不断长大，可以通过控制淬火温度来控制耐磨钢晶粒尺寸，对预测钢的强度及韧性有重要意义。同时，淬透性对于耐磨钢的磨损性能及磨损寿命也起到关键性作用。蒋辉通过研究不同冷速对低合金耐磨钢组织转变的影响，结合膨胀曲线、金相等试验结果绘制出如图3所示CCT曲线，当冷速从0.01℃/s增加至0.2℃/s时，其耐磨钢的显微组织发生粒状贝氏体→上贝氏体+少量马氏体→全马氏体的转变，并且随着冷速的进一步增加马氏体板条更加明显[27]。黄胜银通过提升ZG28CrMn2VB耐磨钢淬火时的温度，发现耐磨钢的硬度有所提升，但冲击韧性有所降低[28]。张志春发现，淬火与回火间增加深冷处理能保证其塑性的前提下显著提高低合金耐磨钢的抗拉强度及屈服强度[29]。

3.2    轧制

轧制是一种金属加工工艺，因受轧辊的压缩使材料截面减小而长度增加的压力加工方法，其工艺原理图如图4所示[30]。轧制过程中的工艺参数也会对低合金耐磨钢的组织和性能产生影响。田长亮通过对不同合金成分的低合金耐磨钢进行轧制发现终轧温度的高低对试验钢性能影响较为明显，终轧温度较高时，其V-Ti系耐磨钢晶粒组织明显粗

大[31]。许帅研究了热轧变形量对经过轧后热处理的高钛耐磨钢组织和力学性能的影响，发现随着轧制变形量增大，微米级网状TiC逐渐细化和均匀化，由于大颗粒TiC在轧制变形过程中发生细化和均匀化，高钛耐磨钢的韧性和塑性随强度的提高不降反升[32]。倪璟通过对相同含量下两种不同厚度的耐磨钢进行热轧试验，发现随着热轧温度的升高，钢板强度和韧性逐渐降低[33]。

4    总结与展望

近年来，国内外许多学者在耐磨钢铁材料的开发和应用领域取得了突破，提高耐磨钢质量，开发高性能新型耐磨钢显得非常必要。针对现有研究和未来需求，提出了以下几点展望：

1）目前还没有一致的理论来阐明低合金耐磨钢中对磨损性能起决定性的关键元素及配比。试验试错仍是耐磨元素选择和比例参数设计的主要方法，随着人们依据摩擦学对耐磨产品要求的日益重视，高质量、高效率将是低合金耐磨钢发展的主要方向。

2）针对耐磨系统应用方面，由于其变量多，工作条件不同，效果也不尽相同，因此应通过大量试验总结出一般规律。现有的低合金耐磨钢系统主要以低温滑动摩擦为主，大多数研究人员只考虑了单个因素的摩擦学性能，忽略了多个因素间（温度、相变场）的协同效应，关于两种或两种以上因素的耦合作用机理鲜有报道，为更加全面地完善表面强化的摩损机理，亟需掌握多种因素的耦合作用机理。

3）低合金耐磨钢的组织构成、力学性能和耐磨性受多重因素影响，通过大数据进行计算和预测是未来解决耐磨钢不确定性的关键技术。

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第一作者：王一鸣，25岁，硕士研究生

收稿日期2023-12-04