生产球磨机衬板的新型低合金耐磨钢

球磨机是电厂、水泥厂、矿山、化工、冶金等行业生产中的主要制粉设备，衬板则是保证球磨机正常运转的主要耐磨部件，目前广泛用于制造衬板的材料中，使用最多的是高锰钢，但当破碎物料受到的冲击并不强烈时，由于高锰钢具有的加工硬化性能不能充分得以发挥，使得高锰钢衬板表现出了磨损快，使用寿命短的弱点。因此国内一些高校、科研院所和耐磨材料企业先后开始研究替代高锰钢的材料，其中低合金耐磨铸钢是目前研究较多的一种新型衬板材料。在各类抗磨件中，80%以上是在中、低应力冲击磨损工况条件下使用，低合金钢由于具有较高硬度和足够韧性的综合性能，并通过调整成分与热处理工艺，可以在较大范围内控制硬度和韧性的合理匹配。这里总结了进入21世纪以来研制的新型低合金马氏体、贝氏体和马-贝体耐磨钢，在实际使用中，这些低合金钢表现出了较高锰钢衬板优良的使用性能。

1、低合金马氏体耐磨钢

由于低合金马氏体钢中存在的高位错板条状马氏体具有高的硬度，可以较好地抵抗磨损时裂纹的扩展，因此具有优异的力学性能和耐磨性，在中等冲击磨损条件下，同奥氏体高锰钢相比具有明显的优越性，综合性能高出高锰钢一倍多，因此近年来研制和开发的低合金耐磨钢中，以马氏体钢的应用最广泛。

碳是钢中影响各项性能的主导元素，一般而言，高碳耐磨钢耐磨性好而脆性大，因此低合金马氏体耐磨钢的碳含量主要是低碳如M-1、M-2号钢和中碳如M-3~M-8号钢，碳含量在0.26%~0.6%之间。低合金马氏体钢主要合金元素是Cr、Mo和Ni。铬能显著提高钢的淬透性，并固溶强化基体，提高钢的耐磨性，铬还能细化晶粒和提高钢的回火稳定性，Cr的含量一般为0.5%~3.2%；加入适量的钼能提高钢的淬透性、回火稳定性以及细化晶粒，钼还有抑制回火脆性，改善韧性的作用，但加入量过多将使成本提高，故加入量一般为0.1%~0.8%；镍和碳不形成碳化物，和铁以互溶的形式存在于钢中的α相和γ相中，使之强化，并通过细化晶粒改善钢的低温性能，强烈稳定奥氏体，提高钢的淬透性而不降低钢的韧性，但价格昂贵，Ni含量一般为0.2%~1.8%。

添加的微量合金元素主要为B、RE、V、Ti、Cu等。硼是强烈稳定奥氏体的合金元素，可替代Ni、Cr、Mo等贵金属以显著提高钢的淬透性，固溶在钢中的硼为0.001%~0.003%时提高淬透性最明显，含硼量超过0.005%时，韧性降低，所以严格控制钢中的含硼量。在钢中的钛是强碳化物形成元素，细化晶粒效果非常明显，可以消除一般热处理无法消除的一次结晶和晶界元素偏析，降低钢在250~400℃之间的回火脆性，亦可提高淬透性，代替部分贵重元素，如Ni、Mo、Cr等。稀土在钢中的有益作用日益受到重视，RE可以净化钢液，改善铸态结晶组织，细化晶粒，增加钢的致密度，改善夹杂物性质、形态和分布，降低有害杂质元素在晶界的偏析程度，使钢的韧性得到提高。M-6号合金中加入铜，铜不形成碳化物，以固溶态存在于基体中，可改善钢的韧度，提高淬透性。热处理主要是通过淬火和低温回火，淬火介质包括油、水、空气和水玻璃，以获得回火马氏体组织。

但低合金马氏体钢对化学成分控制和热处理工艺要求较高，淬火工艺操作不当或化学成分控制不好，极易引起材料的开裂；回火温度控制不好，易导致组织从回火马氏体向回火屈氏体过渡，在磨损过程中，回火屈氏体的加工硬化率较小，因而耐磨性也较低。另外，该钢主要靠马氏体基体硬度来抗磨，在高应力磨料磨损条件下，耐磨性提高不多。

2、贝氏体低合金耐磨钢

20世纪50年代，英国人Pickering等发明了Mo-B系空冷贝氏体钢。Mo和B的结合可以使钢在相当宽的连续冷却范围内获得贝氏体组织。Mo-B系或Mo系贝氏体钢的出现受到世人的重视。清华大学方鸿生等在研究中发现，Mn在一定含量时，可使过冷奥氏体等温转变曲线上存在的明显上、下C曲线分离；Mn与B结合，使高温转变孕育期明显长于中温转变，以此成功地用普通元素进行合金化，发明出Mn-B系空冷贝氏体钢。由于适量的Mn可导致其在中温下在相界处富集，对相界迁移起拖曳作用，与B共同作用容易获得贝氏体；同时Mn显著降低贝氏体相变驱动力，使贝氏体相变温度降低，细化贝氏体尺寸，改善韧性和强度。进入21世纪以来，国内冶铸工作者研制出了多种新型球磨机衬板贝氏体耐磨铸钢，实践中表现出了优良的综合力学性能和耐磨性。

3、贝氏体+马氏体的低合金耐磨钢

20世纪60年代，人们在某些低合金高强度钢中发现贝氏体-马氏体复相组织的强韧性优于单一马氏体组织。而且由于淬透性的原因，一些大型高强度低合金钢零部件淬火后常常含有一定量贝氏体-马氏体复相组织。因此，21世纪以来贝氏体-马氏体复相组织引起了人们的广泛重视，研制出了许多贝氏体+马氏体的低合金耐磨钢。

贝氏体（B/M）双相钢是以Si、Mn、Cr、Mo为主要合金元素，加入适量Ni、Cu、V、Ti、B、Y、RE的多元低合金铸钢，通过空淬加回火的热处理工艺，得到回火马氏体组织+贝氏体为主的组织，具有硬度和韧性高、耐磨性好等特点。当钢在连续冷却过程中通过贝氏体转变温度区时，过冷奥氏体分解为贝氏体，先析出的贝氏体将奥氏体晶粒进行侵害、细化，将原始奥氏体晶粒侵害成许多的细小区域，当冷却到Ms温度时，在贝氏体板条间隙中剩余过冷奥氏体全部转变为马氏体。板条马氏体为高强度相，具有很高的抗拉强度和硬度，但韧性较差。贝氏体组织则在具有较高强度的同时具有较好的韧性。因此，试样微观组织为贝氏体和马氏体双相组织时，其强度和韧性都得以保证。研究表明，上贝氏体-马氏体-马氏体混合组织恶化钢的性能，但下贝氏体-马氏体组织能够改善钢的强韧性，在断裂过程中当裂纹遇到下贝氏体-马氏体界面及马氏体板条束界时，裂纹韧脆转变温度，显示出比回火马氏体更高的强韧性。

4、结论

（1）低合金马氏体钢由于存在高位错板条状马氏体，在中等冲击磨损条件下，表现出较高锰钢优异的耐磨性能。

（2）加入合金元素Cr、Mo和Ni，适当加入微量合金元素V、Ti、B、RE、W、Nb、Ta、Y等获得贝氏体低合金耐磨钢，具有优良的综合力学性能和耐磨性。

（3）通过空淬加火的热处理工艺，得到回火马氏体+贝氏体为主的组织，具有硬度和韧性高、耐磨性好等特点。

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