铸造耐磨材料的研究应用现状及发展趋势_宋延沛.pdf

专题综述2022年第12期/第71卷1477铸造耐磨材料的研究应用现状及发展趋势宋延沛1,2,周汉1,陈丹萍1,林小丽1（1.海南科技职业大学机电工程学院，海南海口 570100；2.河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳 471023）摘要：综述了目前我国铸造耐磨材料和热工艺研究中的关键技术，综合分析了我国铸造耐磨材料的应用研究现状、存在的问题及应对措施；并对铸造耐磨材料未来的发展方向、思路和对策提出建议，为新型铸造耐磨材料的开发研究提供参考。关键词：铸造耐磨材料；研究应用现状；存在的问题；发展趋势作者简介：宋延沛（1957-），男，博士，教授，主要从事先进耐磨材料及金属基复合材料研究。E-mail：；中图分类号：TG135+.6文献标识码：A 文章编号：1001-4977（2022）12-1477-08收稿日期：2022-06-20 收到初稿，2022-08-20 收到修订稿。耐磨材料被广泛地应用于工业生产的各个领域，随着科学技术和现代工业的高速发展，由材料磨损而引起的能源和材料消耗等所造成的经济损失相当惊人。据不完全统计，世界工业化发达国家约30%的能源是以不同形式消耗在磨损上的。如在美国，每年由于摩擦磨损和腐蚀造成的损失约1 000亿美元，占国民经济总收入的4%。我国每年仅在冶金、矿山、电力、煤炭和农机领域由工件磨损而造成的经济损失高达400亿元之多，每年仍以510的增长率快速增加。因此，耐磨材料的发展已成为影响现代生产效率的重要因素，越来越引起材料科学工作者对零件磨损和耐磨材料研究的高度重视。本文将主要介绍目前我国金属铸造耐磨材料的研究及应用现状、存在的问题及未来发展方向和趋势。1耐磨铸钢我国在耐磨铸钢方面的研究主要集中在铸造奥氏体锰钢、改性铸造奥氏体锰钢、铸造耐磨合金钢等。1.1铸造奥氏体锰钢普通铸造奥氏体锰钢其碳含量在0.9%1.5%之间，根据锰在钢中的含量又分为中锰耐磨钢（5%9%Mn）、高锰耐磨钢（12%14%Mn）和超高锰耐磨钢（15%30%Mn）。中锰耐磨钢由于锰含量较低，其组织稳定性较差，使用过程中易诱发马氏体转变，耐磨性比高锰钢好，但韧性较低，主要在冲击载荷较小的工况下使用。高锰耐磨钢锰含量较高，其组织稳定性较中锰钢好，冲击韧性高，适用于冲击载荷较高的工况下使用，超高锰钢锰含量一般在15%以上，主要用于改善厚大铸件中心组织均匀性，使厚大铸件中心部位获得完全奥氏体组织，提高其加工硬化能力。奥氏体锰钢通常用来铸造大型球磨机衬板、颚式破碎机颚板、大型破碎机锤头等部件。为了改善奥氏体锰钢的耐磨性，通常采用优化工艺，改变铸造方法，加入合金元素进行合金化改性或进行变质处理，目的是改善组织提高其耐磨性和使用性能，合金元素的加入量一般不超过2.5%。改性后的奥氏体锰钢硬度提高，冲击韧性略有下降，耐磨性增加。为了进一步改善奥氏体锰钢的耐磨性，可对水韧处理后的奥氏体锰钢再进行时效处理，使其基体上弥散析出大量细小的合金碳化物，以进一步提高耐磨性1-3。覆砂金属型工艺也是提高奥氏体锰钢性能的又一种方法，采用覆砂金属型工艺可使高锰钢衬板铸态组织中碳化物数量减少，铸态冲击韧度提高（达94 J/cm2）。与普通水玻璃砂型生产的高锰钢相比，其铸态和热处理态的磨损量分别Vol.71 No.12 20221478专题综述表1试样化学成分Table 1 Chemical composition of specimen wB/%减小36和284。合金化无疑是改善奥氏体锰钢组织，提高其力学性能和耐磨性的主要方法之一，材料工作者为了提高奥氏体锰钢的耐磨性，通常在奥氏体锰钢中加入W、Cr、Mo、V、Ti等合金元素对钢进行合金化改性，以达到细化晶粒、改善其组织中碳化物形态、数量和厚壁铸件心部的晶粒度，可有效提高钢的抗拉强度、硬度和耐磨性5。文献6在奥氏体锰钢中加入0.5%1.5%的W可以改变C在中锰钢中的分布状态，起到细化晶粒、有效提高奥氏体锰钢的抗拉强度、冲击韧性和耐磨性。与不含W奥氏体锰钢相比，冲击韧性提高0.41.49倍，抗拉强度提高10，耐磨性提高40。在ZGMn18钢中加入2%Cr并通过RE和B变质处理，可使厚壁轧臼壁铸件心部的晶粒度达到1级7。若在ZGMn17Cr2基础上添加适量的V、Mo，通过水韧处理+360 回火处理可使ZGMn17Cr2的组织更加均匀，碳化物形态和数量得到改善，沉淀强化效果更显著，综合力学性能明显提高8。文献9采用消失模铸造方法研究了Cr、Mo、V、Ti、Ni多元合金化对ZGMn13组织的影响，发现随合金元素量增加，奥氏体稳定性提高，晶粒细化，钢的显微硬度和宏观硬度均明显提高。高锰钢分别通过轻稀土和钇基重稀土两种包芯线变质剂处理后，高锰钢的耐磨性均提高了10%20%和20%30%，且钇基稀土变质线处理后高锰钢的伸长率提高更明显，加工硬化能力更强10。热处理工艺优化也是改善奥氏体锰钢组织和性能的手段之一，研究者11在不同的热处理温度下研究了ZGFe-24Mn-7Al-1C钢的组织和性能后发现，加热温度从850 升高到1 100 时，钢中晶界碳化物逐渐减少，伸长率、抗拉强度、屈服强度和冲击韧性不断增加，在1 050 时综合力学性能达到最优。奥氏体锰钢组织粗大，晶界残留碳化物不能完全消除是导致奥氏体锰钢性能恶化的主要原因。采用合金化和复合变质处理加以优化的铸造工艺和热处理工艺是改善奥氏体锰钢组织，提高其性能的有效方法。1.2铸造耐磨合金钢1.2.1铸造低合金耐磨钢铸造低合金耐磨钢，其含碳量通常在0.25%1.0%之间，合金总量一般在5%以下，对有一定冲击载荷的耐磨件，碳含量应选择中下限，组织应为板条马氏体、贝氏体或板条马氏体+片状马氏体混合组织；对冲击载荷较小，耐磨性要求较高的耐磨件，碳含量应选择中上限。组织应为片状马氏体+少量残余奥氏体+少量碳化物。铸造低合金耐磨钢是在碳钢中加入Cr、Mn、Si、Ni、Mo、Cu、V、Ti等合金元素而获得的，其目的主要是固溶强化，提高钢的淬透性，改善组织，提高性能和耐磨性，再通过热处理工艺优化以满足不同工况的使用要求。铸造低合金耐磨钢多用于制造衬板、锤头、斗齿等耐磨件。目前，应用于市场的铸造低合金耐磨钢主要包括珠光体-渗碳体耐磨钢、马氏体耐磨钢、贝氏体耐磨钢和奥氏体-贝氏体耐磨钢。按主要元素可分为Cr系、Mn系、B系和多元系。31Mn2Si是20世纪80年代河南科技大学与中国一拖集团公司联合研制的高锰钢拖拉机履带板代替钢种，该钢种经RE-B复合变质后，其性能达到硬度HRC4548，抗拉强度1 530 MPa，U型缺口冲击韧性大于30 J/cm2，使用寿命较高锰钢履带板提高近50%，生产成本明显降低12。ZG30CrMn2Si是在ZG31Mn2Si钢的基础上加入合金元素Cr开发出的多元低合金耐磨钢，主要用于生产中小型球磨机衬板。该耐磨钢经RE-B复合变质处理后组织明显细化，组织中板条马氏体比例增加，夹杂物也由沿晶界分布的硫化物夹杂转变为晶内分布的球块状RE硫氧化物夹杂，U型缺口冲击韧性由变质前的37 J/cm2提高到62 J/cm2，抗拉强度大于1 700 MPa，硬度达到HRC 4851，使用寿命较高锰钢衬板提高近一倍13-14。C含量对Cr-Si-Mn低合金钢硬度、冲击韧性和磨损特性有显著影响，C含量增加，Cr-Si-Mn低合金钢的组织由板条马氏体向针状马氏体转变，硬度增加，冲击韧性降低，抗冲击磨损性能先增加后降低，磨损机理由塑性疲劳磨损转变为脆性断裂磨损15。ZG34Mn2SiV是近期研究的一种多元耐磨钢，该钢经870 淬火，200 回火后的耐磨性比高锰钢提高20%16。ZG65MnCr是在65Mn钢的基础上将Mn含量提高到1.95%2.05%，并加入0.95%1.05%的Cr而研制的一种低合金耐磨钢，其淬透性较65Mn钢大大提高，最大临界淬透直径可达195 mm，淬硬层硬度达HRC5861，显著提高了厚壁工件的淬透性和耐磨性17。ZG30Cr2Si2MnMoCuTiREB、ZG70Cr2MnNiSi和ZG75Cr2Mn2SiMoREB耐磨铸钢主要针对中大型球磨机衬板和圆锥破碎机衬板研制的一种耐磨钢，经正火+淬火+低温回火或空淬+回火处理后，组织为回火马氏体、索氏体或贝氏体+珠光体混合组织，强度大于1 200 MPa，硬度大于HRC40，用于球磨机和圆锥磨衬板，使用寿命比高锰钢提高50%以上18-20。为了提高低合金钢在不同工况下的耐磨性，材料工作者针对不同工况下使用的低合金耐磨钢进行了热处理工艺研究，通过热处理工艺优化，改善低合金耐磨钢的组织，提高其耐磨性和使用寿命21-23，已获得显著成效。C-Mn-Cr-B低合金耐磨钢经920 淬火，400 回火处理后，得到回火马氏体组织，钢的屈服专题综述2022年第12期/第71卷1479强度为1 080 MPa，抗拉强度为1 190 MPa，伸长率25.5%，-20 冲击功为 39 J，硬度为HB399，综合力学性能良好24。Cr-Mo-Ni-Mn-Si低合金耐磨钢经860 油淬后，其组织为细小板条马氏体，硬度达到HRC44.8，耐磨性显著改善25。文献26在研究了淬火温度对工程机械用低合金耐磨钢组织与力学性能的影响后发现，钢在840 淬火+400 回火后，其硬度和冲击功均达到最大值，分别为HRC49.2和28.8 J。扩散退火时间对58CrMnSiNiMo 耐磨钢的组织和性能有显著影响，扩散退火时间延长，试验钢组织均匀性改善，成分偏析降低，淬火后板条马氏体增多，马氏体板片间距增加，马氏体周围出现残余奥氏体薄膜，淬火组织中第二相主要为M7C3、M23C6碳化物。经扩散退火处理的58CrMnSiNiMo 耐磨钢，其抗拉强度和冲击韧性显著改善，由1 775 MPa和44 J/cm2提高到2 029 MPa和144 J/cm227。1.2.2铸造中高合金耐磨钢铸造中合金耐磨钢的合金元素含量一般在5%9%之间，含碳量在0.3%1.2%；而高合金耐磨钢的合金元素含量均在10%以上，碳含量通常在0.7%1.5%之间，中高合金耐磨钢中通常作为强化和提高钢淬透性的元素有Cr、Mn、Si、Mo、Ni和V等，为改善铸造合金钢组织和性能，研究者通常也会加入Ti、Nb进行微合金化，并通过RE变质处理、热处理工艺优化以细化晶粒、改善组织中碳化物形态和分布。铸造中高合金耐磨钢主要用于制造热轧辊、导向辊、破碎机颚板、板锤、球磨机衬板、磨球和杂质泵叶轮等耐磨铸件。其组织主要为珠光体或回火马氏体+碳化物+残余奥氏体。国内在中高合金耐磨钢方面的研究除成分优化和变质处理外，更多的是集中在热处理工艺优化方面。文献28在研究了热处理工艺对低碳（0.2%0.3%C）中合金耐磨钢和中碳（0.4%0.5%C）中合金耐磨钢组织和性能影响后发现，该两种耐磨钢分别经过945 淬火+280 回火和945 淬火+370 回火最优热处理后，两种基体组织明显细化，均由细小的板条马氏体+少量残余奥氏体和弥散分布的碳化物组成。两种钢的性能分别达到硬度HRC49和HRC48，冲击韧性224 J/cm2和90 J/cm2。衬板用低碳高合金钢（0.21%C，9.0%Cr，0.7%Mo）耐磨钢中增添2%Mn后，其退火组织为上贝氏体+屈氏体，淬火回火组织为单相板条马氏体，这两种组织的硬度和冲击韧性分别为HRC40.2、HRC52.8和11 J/cm2、17 J/cm2，腐蚀速率为0.231 4/（gm-2h-1）。当锰量继续增加至2.5%3%时，该钢退火和淬火回火组织均为单相板条马氏体，硬度有所增加，而韧性和腐蚀速率均有所下降29。高铬铸钢轧辊是高温环境下工作的耐磨件，它的组织和性能直接影响其使用寿命，优化的热处理工艺可以改善高合金耐磨钢的组织，提高其性能。文献30在研究了热处理工艺对高铬铸钢轧辊组织和性能影响后，结果发现，该轧辊经1 030 1.5 h空冷淬火，510（1030 min）二次回火后，其组织更加均匀，硬化效果良好，硬度达到HV740760，使用寿命明显提高。VC具有高的硬度和良