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摘要：低合金耐磨钢主要用于冶金、矿山、建筑机械等领域， 大多服役于复杂恶劣环境， 因此提高低合金耐磨钢耐磨效果， 分 析其组织性能，对降低磨损，降低成本具有重要意义。本文简要介绍和分析了部分低合金高强度耐磨钢采用最佳热处理工艺后 的组织变化及其性能的提升。最后对低合金耐磨钢研究的发展进行展望。
关键词 ：低合金耐磨钢,热处理工艺,组织性能
磨损是工件失效的主要形式之一，普遍存在于钢铁材料的 各个应用领域。虽然由于磨损失效带来的灾难性后果很少见， 但 由于磨损导致工件失效而带来的工业经济损失却相当惊人。世 界上每年由于磨损而产生的能源消耗比例高达 1/2.有 80% 的材 料由于磨损引起的不可靠应用而失效。虽然金属材料的磨损不 会直接造成严重后果，但是磨损造成工件失效所带来的工业经 济损失尤为严重。
耐磨钢是抵抗磨损性能优良的钢铁材料的统称，也是当今 耐磨材料中用量最大的材料。除了传统的奥氏体锰钢及改性高 锰钢、中锰钢以外， 耐磨钢按碳含量可分为低碳、中碳、中高碳、 高碳合金耐磨钢 ;按合金元素含量可分为低合金、中合金及高 合金耐磨钢;按组织类型可分为奥氏体、贝氏体、马氏体耐磨钢。 低合金耐磨钢是在以磨损作为主要失效方式的工况下使用的低 合金钢，其成本相对较低，因此，研究和发展抗磨或减磨性能良 好，且综合力学性能优良的低合金耐磨钢，对节能降耗，实现社 会经济又好又快发展具有重要意义。
本文主要研究低合金耐磨钢及其通过热处理加工工艺，分 析影响磨损失效的主要因素，为低合金耐磨钢强化的研究与应 用提供基础。
1 低合金耐磨钢概述
1.1 合金化成分
低合金耐磨钢，其合金元素总量(质量分数) < 5%，主要合 金元素及其作用 ：
(1) 碳 ：高碳耐磨钢的含碳量上限为 0.7% 即可，高于 0.7% 时，其硬度和塑性的提高不大。如果对耐磨性有很高的要求，那么除了要有较高的硬度以达到耐腐蚀之外，还必须有一定数量的碳化物， 才能达到抗磨的目的。
(2) 锰 ：锰是改善钢材淬透性最强的元素，应以Mn>0.8% 为宜，以获得较好的淬透性。锰具有固溶、增强铁素体和弱碳化 物的作用， 能增强渗碳体 ;通过细化珠光体晶团， 减小珠光体层 之间的距离， 使铸态晶粒得到细化， 从而改善其塑性。
(3) 铬 ：铬可以形成多种碳化物。铬能在铁素体中固溶，使 铁素体得到增强。随着铬含量的提高，钢材的强度、塑性、韧性 均有所提高。随着铬含量的增大，材料的耐磨性能得到改善，尤 其是在铬含量低于 3% 的情况下，其抗磨损性能有明显的改善。 铬提高了淬透性，尤其与镍、钼配合使用，可以得到具有很好淬透性的钢。
(4) 硅 ：硅可使钢的相转变温度升高，使奥氏体得到稳定。 硅也是过热敏感的元素， 特别是当锰被用作合金时， 它的作用更加明显， 因此硅的含量不宜太高。
(5) 镍 ：在钢中， 镍对铁素体有增强作用， 但无碳化物生成 ; 添加镍可以改善钢材的淬透性。在马氏体抗磨钢中， 添加镍可以 使其具有较好的塑性。在耐磨性钢中添加镍可以改善材料的塑性，如珠光体、索氏体和屈氏体组织。
(6) 钼 ：钼是铁素体元素，是一种能生成碳化物的元素。钼 能提高钢的淬透性， 将其回火稳定性进行增强。
(7) 稀土元素 ：稀土能使钢中的硫含量下降，特别是在含碳 量增加的情况下，强化了脱硫的作用。钢在添加稀土之后在低温下具有良好的冲击韧性， 可改善其高温抗氧化性和耐热疲劳性能。
(8) 铌、钒、钛 ：在高强度钢中，这三种微合金元素是经常 被使用的。能与碳氮形成细小的碳氮化物， 能抑制钢的奥氏体化 过程。在淬火热处理过程中，可以有效地抑制颗粒的生长，并使 其细化。在回火过程中，可以在基体中形成微小的碳氮化物，从 而对基体进行强化。
1.2 组织和性能
低合金耐磨钢中淬硬态组织主要有马氏体(包括板条马氏 休和片状马氏体)、贝氏体(上、下贝氏体)、残余奥氏体和未溶 碳化物等。低合金高强度耐磨钢通过合金元素控制和淬火 + 低 温回火可获得板条马氏体和残余奥氏体的复合组织 ;通过等温 处理或连续冷却可以获得下贝氏体或贝氏体、马氏体的复合组织， 其耐磨性高于单纯马氏体组织的。
低合金耐磨钢的硬度和耐磨性是其主要性能指标， 同时还 要求其具有一定的塑性、韧性和脆断抗力，较高的应变疲劳强 度， 良好的加工处理性能。
2 低合金耐磨钢热处理工艺
国内低合金高强度耐磨钢通常采用铬、镍、钼等元素进行合 金化， 然后通过淬火与回火工艺， 获得板条马氏体和少量分布在 板条间的残余奥氏体。
高强度耐磨钢制品具有高硬度、高韧性、高强度等固有性 能，从而达到“高耐磨，易加工，降低成本”的目的。国内钢铁企 业生产耐磨钢主要依据 GB/T 24186《工程机械用高强度耐磨钢 板》标准，标准中根据成分以及性能等设计了 NM300、NM360、 NM400、NM450、NM500、NM550 及 NM600 七 个 耐 磨 等 级。许 多学者和专家对这些耐磨钢的热处理工艺进行了研究。
低合金耐磨钢 NM300 有成本低、耐磨性等特点，沈聪等提 出一种新型的淬火−分配−冷热循环−回火(Q-P- (CT) 2-T) 热处 理方法，即以 NM300 作为实验材料，将材料在 980℃的高温炉中 保温 1h， 随后立即放入盐浴炉加热 5min，进行碳分配处理， 随 后将其水冷至室温，1 次深冷处理和 200℃保温处理之后，再进 行一次循环，温度和时间不发生变化， 随后进行 250℃的回火。 该工艺可以使 NM300 耐磨钢中的奥氏体发生不稳定的转变为马 氏体，从而使 NM300 耐磨钢中的碳化物沉淀和细化显微组织。 其抗拉强度、屈服强度、抗冲击强度均得到提高，表现出良好的综合机械性能。
刘春泉等采用淬火(900±10)℃保温 0.5h 淬火加不同回火 温度的热处理工艺对 NM360 钢板进行加工。由于马氏体中的碳 化物不断析出，含碳量持续下降，使其抗拉强度持续下降。随 着回火温度的升高，马氏体中的孪晶数量不断减少，从而导致 NM360 硬度下降。在回火温度为 250℃时，其拉伸强度、屈服强 度都得到了最大的提高， 回火温度 300℃以后，其拉伸强度、硬 度都迅速降低，且回火温度越高，其抗拉强度和硬度就越低。麻 衡等以 NM360 钢板作为实验基体，在保证微合金元素强化的前 提下，经过淬火 + 回火处理， 即在 Ac3+ (30 ~ 50) ℃淬火 , 确保 得到马氏体基体组织，再经 250℃的低温回火消除淬火应力， 以 减少脆性， 获得回火马氏体组织。即得出该钢板最佳生产工艺为 920℃淬火 +250℃回火处理，韧性和硬度均有提高，且具有较好 的耐磨性。
NM400 的组织结构中存在大量的板条状马氏体，并且分布 较为均匀， 晶粒大小没有明显的差别。由于具有优良的塑韧性、 高强度、优异的使用性能以及高耐磨性， 且可焊性和加工性能良好，应用于抗磨损工况，如挖掘机、推土机铲斗板、刃板、自卸卡车、矿车等耐磨损的结构件，也常作为屈服强度大于 700MPa 的高强度结构钢使用，是目前应用较为广泛的一种低合金耐磨 钢。NM400 的热处理方式通常采用淬火 + 低温回火。陈永南对 NM400 钢板进行成分设计，经热处理后，NM400 的组织为马氏 体和残留奥氏体，其韧性和耐磨性较好，经低温回火处理后，其 韧性得到明显提高，采用 250℃低温回火综合性能更优。李灿明 采用微 Nb、B， 加少量 Cr 成分体系， 通过两阶段控轧 + 在线淬火 + 离线回火工艺方法，成功制备出高性能高强度耐磨钢 NM400. 与传统的离线淬火工艺相比，在线淬火可以减少奥氏体化再加 热，提高了生产效率，减少了能耗， 同时还可以改善材料的组织 和性能，在线淬火钢板硬度、强度、断后伸长率、低温韧性均更 理想，具有较好的经济效益和实用价值。综上所述，低合金耐磨 钢 NM400 经过在线淬火和传统离线淬火均可以得到较高的硬 度、耐磨性以及较好的韧性， 在线淬火可以省去再加热过程的能耗， 但回火温度需采用低温， 得到的组织综合性能更优。
国内钢厂生产 NM450 高强度耐磨钢板多采用淬火 + 低温回 火热处理工艺。姜金星等将 NM450 钢采用 900℃保温 30min，水 冷至室温淬火工艺，然后进行回火处理，经过 200℃~ 350℃的 低温回火，未彻底消除 NM450 的偏析，但其组织变得越来越均 匀，硬度也随之降低。回火温度对 NM450 钢的硬度影响很大， 随着回火温度的升高，NM450 的硬度有所下降，而随着回火时 间的延长，NM450 钢的组织变化不大，而硬度则没有明显的下 降。麻衡等采用普通 NM450 钢，在保证微合金元素强化的前提 下，采用控轧、轧后空冷工艺，轧后采用淬火 + 回火工艺，即在 淬火温度 930℃， 保温 20min; 回火温度 200℃， 保温 25min， 以 消除淬火应力，减少脆性，得到马氏体 + 残余奥氏体 + 针状贝氏 体组织，并且从表面到心部贝氏体含量逐渐增多，尺寸增大，分 布更均匀， 从而达到最佳的综合性能。
目前，我国的工业应用低合金耐磨钢板主要集中在 NM450 级别以下， 国内也有一些企业能够生产出 NM500.但与国外同 级别耐磨钢板相比，无论是性能还是稳定性，都有较大的差距。 黄军等将 NM500 钢板加热至 900℃保温后水淬，组织为马氏体 + 少量残余奥氏体组织，再进行不同温度回火。当 NM500 淬火 试样在 150℃~ 240℃范围内进行回火， 由于碳原子扩散能力 弱，马氏体在回火时分解程度较小，位错密度仍然保持在较高 水平，其组织未发生显著改变，仍保留了马氏体形态;在 270℃ 或更高的温度下进行回火，组织形态有明显的改变，尤其是在 320℃~ 400℃时，其分布的碳化物沉淀量增加;600℃的回火条 件下，其组织为回火索氏体。郑健等通过 Ti-Mo-B 合金化系统， 将实验钢板进行两个阶段的控制轧制， 轧后钢板空冷至室温， 将 热轧钢板加热到 870℃保温 30min 后水淬， 随后在 200℃进行低 温回火，研制出了一种 NM500 低合金高强度耐磨钢，该钢板抗拉强度为 1678MPa，强度、塑性、低温韧性均较好，并且其耐磨 性有较大提升，在同等磨损情况下，其相对耐磨性是NM400 钢 的 1.45 倍。程志彦等以自主设计的NM500 级别耐磨钢作为实验 用钢，淬火后放入液氮中在-190℃保持24h进行深冷处理，最后 经200℃，0.5h得到NM500耐磨钢。经过深冷处理的NM500组织 主要为回火马氏体，深冷处理中残余奥氏体向马氏体转变，减少 了不稳定相的含量，抗拉强度、硬度、冲击韧性等均得到改善，抗 拉强度可达 1910MPa， 硬度可达 523HB， 冲击韧性达到24.3J/cm2. 其综合力学性能得到了全面的提升。
NM550 钢与普通钢相比，耐磨性在4倍以上。郭秀斌所用实 验钢在 C-Mn 钢的基础上， 加入一定量的 Cr、B、Mo等合金元素 , 满足NM550 性能要求。将实验钢加热至 1200℃， 保温 120min， 采用两段控轧工艺， 轧后空冷至室温。为得到优良的综合力学性 能，最佳淬火参数为在 880℃~ 900℃加热保温，最后进行低温 回火。罗登等发现热轧钢板加热到不同温度(800℃~ 1000℃) 保温20min 后水淬至室温，随后在 190℃进行回火。淬火温度在 860℃~ 900℃时， 该NM550 耐磨钢具有最佳的耐磨性能。
NM600 是最高级别的低合金高强度耐磨钢，具有极高的 强度和优良的耐磨性能等特点。张雨佳等在普通 C-Mn 钢的基 础上加入一定量的 Cr、Mo、B 等合金元素，然后进行热轧空冷 至室温，采用淬火温度为 880℃，回火温度为 180℃的热处理方 法，能够获得良好的力学性能和耐磨损性能， 且具有良好的低温 冲击韧性。汪孪祥等将热轧后的NM600 钢板在 860℃淬火保温 30min，200℃回火保温 60min，所得组织为主要是板条马氏体还 有少量的残余奥氏体和碳化物。获得的NM600 钢性能为所获得 的最优工艺性能为 ：抗拉强度 1956.2MPa、屈服强度 1566.7MPa、 伸长率 12.7%、 -20℃冲击功 19.2J、布氏硬度 576.5HB。力学性能 在强度和硬度方面有着较大的提高。朱庆华等对NM600 级别实 验耐磨钢进行淬火温度的研究，在 880℃~ 900℃淬火时具有良 好的强韧性配合，组织为单一的马氏体组织。在此温度下，淬火 后得到的马氏体板条中有较少析出物，这对提高强度和细化晶 粒结构具有较大作用，且马氏体板条的宽度愈细，NM600 耐磨 钢的机械性能愈佳。
3 低合金耐磨钢发展方向及趋势
随着耐磨钢技术的不断发展与应用，为了改善耐磨性钢材 的品质， 要从以下几个方面着手 ：
(1) 采用改进精炼技术、优化轧制、改善热处理等工艺，对 成分组成及热处理工艺进行了优化。耐磨钢通常是通过轧后淬 火 + 低温回火工艺或控轧控冷技术来实现的，其耐磨性能主要 取决于材料的硬度和韧性，而对其进行合理的成分配比及热处理工艺的优化是其组织控制的关键。
(2) 为节省能耗、降低生产成本，应尽可能地开发具有较低 价值的耐磨钢， 对其进行了短流程的在线淬火处理。从合金的设 计和工艺过程中，开发出低成本、高性能的耐磨钢。通过对耐磨 钢进行在线淬火、超快速冷却等技术的研究， 开发出低成本的耐 磨钢，开发出低成本、高质量的耐磨钢，是一个重要的合金设计和生产工艺发展趋势。
(3) 研制高强度、高耐磨性的能适应恶劣复杂工作环境的新 型低合金耐磨钢。贝氏体钢是新一代钢种， 贝氏体钢在耐磨性材料中的应用具有重要的意义， 有良好的应用前景。
(4) 根据工况不同，研究并应用不同级别低合金耐磨钢。 建立由简单成分设计到复杂成分设计，简单热处理工艺到多道 热处理工艺，从低磨损到高磨损不同工况应用的低合金耐磨钢系列。
(5) 对耐磨钢表面处理技术进行研究与应用。运用激光加工 技术如激光表面淬火技术、激光表面熔覆技术等对耐磨钢表面 进行加工。激光加工技术可以对一些因局部磨损严重而使工件 设备无法继续服役的情况进行改善， 增强局部区域的硬度、耐磨 性、抗冲击韧性等优良性能 ;并且对于一些特殊零件， 可以省去 传统热处理工艺，在保证芯部组织性能的同时增强其表面耐磨 性等。
我国耐磨钢生产企业已从国外引进生产线，自主开发出新 型耐磨钢生产工艺装备，并采用连铸、表面强化等新技术，开发 出组织细小均匀、强度和塑韧性良好、高硬度、高耐磨并具有优 良使用性能的耐磨钢种。我国耐磨钢材的发展已成为必然的发 展趋势。
4 结语
随着耐磨钢的不断发展和应用，提高耐磨钢质量，开发高性 能新型耐磨钢显得非常必要。耐磨钢一般采用轧后直接淬火 + 低温回火工艺或者控轧控冷工艺，耐磨性能由材料硬度和韧性 共同决定的，优化耐磨材料的成分和热处理工艺对耐磨钢的组 织控制起着至关重要的作用。采用合理的热处理工艺， 对所需材 料进行加工，完善工艺流程，从而尽量降低生产成本，提高产品 质量。使耐磨钢在保证高硬度的前提下， 还能维持较好的抗冲击 韧性， 使其具有优良的机械性能和优良的耐磨性， 能适应不同工 况的挖掘条件。
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