張常樂，符寒光

（北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124）

在礦石加工、火力發(fā)電等行業(yè)中，常使用襯板來緩解球磨機(jī)的磨損，但由于球磨機(jī)的工作環(huán)境受力復(fù)雜及球磨襯板的性能低下將會(huì)導(dǎo)致球磨機(jī)工作失效，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。長(zhǎng)期以來,國內(nèi)球磨機(jī)主要使用ZGMn13高錳鋼襯板,國外襯板多采用低或高合金耐磨鋼系列,部分采用合金化后的高錳鋼和鎳硬鑄鐵、高鉻鑄鐵等材質(zhì),使用壽命是國內(nèi)襯板的2倍左右[4]。因此，研究新型耐磨材料及應(yīng)用技術(shù),對(duì)于立足國產(chǎn)、節(jié)能降耗，提高碎礦、磨礦效率以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義[2-4]。

球磨機(jī)襯板服役環(huán)境復(fù)雜，磨損機(jī)理各異，應(yīng)根據(jù)材料服役的實(shí)際工況對(duì)材料性能進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)[5]。由于球磨機(jī)襯板應(yīng)用在具有一定沖擊作用的場(chǎng)合，因此足夠的韌性是球磨機(jī)襯板材料選用的前提[6，7]。根據(jù)承受沖擊的能力，可以將目前國內(nèi)外普遍使用的球磨機(jī)襯板材料進(jìn)行簡(jiǎn)單分類，主要有可用于高沖擊載荷工況條件的高錳鋼和橡膠—金屬復(fù)合襯板，適用于中、低沖擊載荷工況的中碳中鉻合金鋼、中低合金耐磨鋼、貝氏體耐磨鋼和ABGE復(fù)合材料等，適用于低沖擊載荷工況的高鉻鑄鐵和高硼鑄鋼[6-8]。除了韌性要求外，為了獲得較好的使用性能和經(jīng)濟(jì)效益，球磨機(jī)襯板還需具有較高的硬度和淬透性、理想的組織、較好的耐蝕性能和工藝性能并盡可能降低生產(chǎn)成本。高鉻鑄鐵和高硼鑄鋼雖然硬度較高，其組織中存在的共晶碳化物可以強(qiáng)烈地抵抗磨料磨損和磨蝕沖擊，在低沖擊載荷下的耐磨性較好，但其韌性較低，成本較高，并且碳化物等脆性相的存在使其在有一定的沖擊工況下易發(fā)生剝落、斷裂等現(xiàn)象，使設(shè)備無法正常運(yùn)行，發(fā)展受到一定的限制[7，8]。由于鉻、鉬等稀貴合金元素的使用將增加生產(chǎn)成本，因此應(yīng)尋找其替代元素，在不降低淬透性等性能時(shí)適當(dāng)降低生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，所以鉻鉬鑄鋼等耐磨鋼的發(fā)展也受到限制。中、低合金高強(qiáng)度耐磨鋼以其高硬度、良好的韌性和低成本等優(yōu)勢(shì)在礦山、工程等機(jī)械設(shè)備的制造中廣泛運(yùn)用，發(fā)展前景廣闊，得到了球磨機(jī)襯板材料研究者的關(guān)注[5]。但是，一般的中低合金貝氏體耐磨鋼仍然含有較多的鉬、鎳等稀貴合金元素，增加了生產(chǎn)成本，而且其碳含量較高（0.5 wt.%以上）時(shí)，組織中含有碳化物，使得球磨機(jī)襯板的韌性低、脆性大，在使用過程中容易發(fā)生斷裂及剝落現(xiàn)象，影響正常的磨礦生產(chǎn)[2，3]，碳含量較低（0.2 wt.%以下）時(shí)，鋼的淬透性較差，硬度較低，不能起到良好的耐磨效果[9]。近年來，國內(nèi)外的許多學(xué)者對(duì)以硅錳為主加元素的耐磨合金鋼進(jìn)行了大量研究，主要研究了其合金元素配比、熱處理工藝、顯微組織組成、力學(xué)性能、耐磨性和生產(chǎn)成本控制等[9-14]。為促進(jìn)錳系合金鋼的應(yīng)用與我國的國情相適應(yīng)，持續(xù)改進(jìn)目前廣泛使用的高錳鋼，現(xiàn)對(duì)目前廣泛研究的錳系耐磨鋼的組織與性能的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，并展望其未來的發(fā)展方向。

1 高錳鋼襯板的發(fā)展應(yīng)用及改進(jìn)

1882年9月英國人 R.A.Hadfied發(fā)明了高錳鋼（ZGMn13）并于1883年在英國取得發(fā)明專利，隨后，高錳鋼在礦山、冶金、建材等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，當(dāng)前其用量仍然是最多的，在大型錘式破碎機(jī)錘頭、球磨機(jī)襯板、挖掘機(jī)的鏟齒、板錘和鐵路轍岔等各種耐磨件中發(fā)揮著重要作用。高錳鋼是常用的襯板材料，在高沖擊或重力擠壓工況下優(yōu)勢(shì)明顯，其表面快速硬化，而芯部仍然保持原來較高的韌性，可以取得較好的加工硬化效果。這種內(nèi)韌外硬，對(duì)沖擊與磨損均具有較強(qiáng)的抵抗力，在抵抗大壓力、強(qiáng)沖擊作用方面，其耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他材料[2]。但在非強(qiáng)烈沖擊工況下，其加工硬化能力較弱，耐磨性能不能得到有效發(fā)揮[7,15-17]，同時(shí)，其屈服強(qiáng)度低，首次使用時(shí)易于變形，磨損較大[15]。另外，其鑄態(tài)組織由奧氏體、珠光體、碳化物和磷共晶組成，脆性較大，不宜直接使用，所以，對(duì)其而言，水韌處理是決定其力學(xué)性能的關(guān)鍵[16]，但水韌處理易使細(xì)長(zhǎng)件、薄壁件氧化脫碳或變形超差，工件加工硬化能力強(qiáng)，難以切削加工[19]。因此，可以通過綜合使用合金化、時(shí)效強(qiáng)化、熱處理、表面強(qiáng)化等方式提高高錳鋼鑄件的加工硬化能力和改善晶粒尺寸[16]。

目前所研究的新型高錳鋼幾乎都是對(duì)ZGMn13進(jìn)行合金化，以增強(qiáng)其強(qiáng)度、硬度、韌性、耐磨性等力學(xué)性能并獲得單一的奧氏體組織。通過合金元素強(qiáng)化奧氏體基體進(jìn)而增強(qiáng)其形變硬化能力，提高耐磨性[15]。趙金山[17]等人采用RE變質(zhì)處理，改善了碳化物的形態(tài)，細(xì)化了組織，同時(shí)控制Mn/C比在11左右，適當(dāng)提高了Cr含量以增強(qiáng)耐蝕性，從而使其硬度、沖擊韌性等得到大幅度提高。李彥龍[16]等人通過提高M(jìn)n元素含量、添加其他合金元素和改變熱處理工藝對(duì)高錳鋼球磨機(jī)襯板進(jìn)行了性能改進(jìn)，其中合金元素Mn和Ti、V、Cr的孿生誘發(fā)塑性（TWIP）效應(yīng)、應(yīng)變誘導(dǎo)相變（TRIP）效應(yīng)和細(xì)晶強(qiáng)化作用對(duì)高錳鋼襯板抗沖擊性能和耐磨性能的提高起到了極大的推動(dòng)作用，使襯板的硬度提高了10.7%，耐磨性提高了62.7%，抗拉強(qiáng)度提高了7.4%，屈服強(qiáng)度提高了8.13%。黃德剛[20]通過調(diào)整合金元素含量和熱處理工藝對(duì)高錳鋼進(jìn)行改進(jìn)，即提高C含量、提高M(jìn)n含量、降低C、Mn含量并加入一定量的Cr、固溶處理和固溶+時(shí)效處理。

蔡岳洪[21]等人通過改變水韌溫度、加熱保溫時(shí)間、冷卻速度和水韌淬火后不同回火溫度等熱處理工藝參數(shù)對(duì)ZGMn13進(jìn)行組織性能調(diào)控，研究發(fā)現(xiàn)隨著淬火溫度的升高，硬度逐漸降低，抗拉強(qiáng)度先升高再減小，沖擊韌性逐漸升高；隨著冷卻速度的降低，抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性均逐漸降低，產(chǎn)生淬火裂紋的傾向越大；保溫時(shí)間不足時(shí)會(huì)使碳化物含量增多并出現(xiàn)多相組織，組織性能較差；隨著加熱溫度的升高，硬度逐漸降低，過高時(shí)會(huì)使鋼的強(qiáng)韌性降低，并導(dǎo)致脫錳、脫碳等現(xiàn)象的發(fā)生；隨著回火溫度的升高，硬度先升高后降低，沖擊韌性先降低后升高，磨損質(zhì)量損失先升高后降低，回火溫度為400℃時(shí)綜合力學(xué)性能較好；Mn/C≤8時(shí)容易產(chǎn)生水韌淬火裂紋，緩慢升溫、充分保溫、足夠水韌加熱溫度和快的冷卻速度可以改善水韌處理的品質(zhì)，微合金化可使鑄態(tài)組織得到改善，提高初始硬度和屈服強(qiáng)度。宋仁伯[15]等人對(duì)高錳鋼襯板的應(yīng)用及改進(jìn)情況進(jìn)行了總結(jié)，研究發(fā)現(xiàn)主要通過合金化處理、水韌處理、沉淀強(qiáng)化處理和表面預(yù)硬化處理（爆炸硬化處理和表面噴丸強(qiáng)化）、時(shí)效強(qiáng)化等手段對(duì)傳統(tǒng)高錳鋼進(jìn)行改進(jìn)[16]，改性高錳鋼的成分范圍如表1所示。

表1 改性高錳鋼的成分[16] ωB/%

Dalai[22]等人研究了熱機(jī)械加工對(duì)兩種高錳鋼Fe17Mn和Fe17Mn3Al（化學(xué)成分如表2所示）低沖擊磨損和低應(yīng)力滑動(dòng)磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著沖擊測(cè)試時(shí)間的增加，硬度和加工硬化程度都顯著增加，隨著滑動(dòng)距離的增加，其磨損率先快速升高隨后逐漸降低，滑動(dòng)距離超過50m后，其磨損體積損失幾乎不變，熱機(jī)械加工可以顯著提高其在低沖擊磨損和低應(yīng)力滑動(dòng)磨損工況下的耐磨性，而其磨損表面的硬度是其耐磨性的主要決定因素，低沖擊磨損下的磨損機(jī)制是切割，剝落和塑性變形，低應(yīng)力滑動(dòng)下的磨損機(jī)制基本上是氧化磨屑類型。

表2 兩種改性高錳鋼的化學(xué)成分[20]ωB/%

Yu-Xing[23]等人設(shè)計(jì)了一個(gè)由球磨機(jī)襯板（高錳鋼 Mn16，其化學(xué)成分為 C：1.00%，Mn：16.00%，Si：0.60%，P：0.035%，S：0.030%）和磨球（GCr15 鋼）組成的模擬球磨機(jī)實(shí)際工作過程的模型，其襯板的熱處理工藝為在550℃的初始溫度下開始加熱，加熱到650℃時(shí)，在700℃以下保溫1小時(shí)以防止熱裂紋的產(chǎn)生，隨后將其加熱到1050℃保溫1小時(shí)，在接下來的2小時(shí)內(nèi)保證其溫度不超過1080℃，然后將熱處理的襯板水淬，隨后空冷至室溫，該襯板在三種不同工作條件下均表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的磨損系數(shù)，耐磨性能較好。

侯晉梅[2]通過對(duì)高錳鋼磨損機(jī)理及各成分對(duì)高錳鋼微觀組織、力學(xué)性能和耐磨性的影響分析，結(jié)合Pro CAST鑄造模擬軟件對(duì)不同材料成分和澆注溫度進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗(yàn)分析，對(duì) ZGMn13的成分配比、鑄造工藝及熱處理工藝進(jìn)行了改進(jìn)，最終確定其合理成分配比為 C：1.15% ，Si：0.40% ，Mn：12.8% ，Mo：0.45% ，Cr：1.5%，P：0.02%，S：0.02%，W：1.0%,Re：0.3%，在澆注溫度為1480℃時(shí)，其內(nèi)部晶粒較為細(xì)小，晶粒大小比較均勻，平均半徑最小，合理的熱處理工藝為（80～100）℃/h 加熱至 400℃保溫 1h，再加熱至700℃保溫2h，再加熱至1080～1100℃保溫3h，最終得到了細(xì)化均勻的組織，沖擊韌性較好，且硬度較大，耐磨性得到顯著提高。

2 超高錳鋼襯板的發(fā)展應(yīng)用

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，不斷挖掘高錳鋼的潛力。通過改變C、Mn含量并添加合金元素，國內(nèi)外學(xué)者研制出超高錳鋼，其加工硬化速率較高。還有些學(xué)者從表面預(yù)硬處理及熱處理兩方面改善高錳

鋼的力學(xué)性能，從而提升耐磨性，延長(zhǎng)使用壽命[15]。在ZGMn13的基礎(chǔ)上既提高M(jìn)n含量又提高C含量得到超高錳鋼，它提高了奧氏體的穩(wěn)定性和對(duì)合金元素的固溶能力及初始硬度和屈服強(qiáng)度，阻止了碳化物的析出，提高了鋼的強(qiáng)韌性和加工硬化能力及耐磨性，可用于生產(chǎn)90kg以上的大錘頭等厚大工件[20]。安徽電力修造廠開發(fā)了一種超高錳鋼ZGMn18CrTi，使用壽命比高錳鋼提高1倍以上，其化學(xué)成分如表3所示[20]。

表3 ZGMn18CrTi的化學(xué)成分[20] ωB/%

李彥龍[16]等人從改變超高錳鋼的成分、鑄造工藝和熱處理工藝著手，在Mn18的基礎(chǔ)上開發(fā)了Mn20，研究發(fā)現(xiàn)細(xì)小的析出物僅在晶界處出現(xiàn)，在細(xì)晶強(qiáng)化、TRIP效應(yīng)和TWIP效應(yīng)的共同作用下其強(qiáng)度、硬度、抗沖擊性能和耐磨性都得到了極大的提高，改性前后的化學(xué)成分如表4所示。

閆華[24]研究了兩種改性超高錳鋼經(jīng)（80～100）℃/h加熱至1100℃，保溫4h后水冷，然后從室溫升溫至250℃，保溫4h后空冷熱處理后與普通高錳鋼經(jīng)（80～100）℃/h加熱至 1050℃，保溫 4h后水冷處理后的顯微組織、力學(xué)性能和磨損機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)超高錳鋼組織均勻，晶內(nèi)分布有細(xì)小團(tuán)球狀碳化物，磨損亞表層的組織由變形帶和高密度位錯(cuò)組成，位錯(cuò)纏結(jié)及其周圍形成的柯氏氣團(tuán)提高了加工硬化能力，力學(xué)性能明顯優(yōu)于高錳鋼，沖擊韌性與加工硬化能力配合較好。提高加工硬化能力是其耐磨性提高的關(guān)鍵。其化學(xué)成分如表5所示，力學(xué)性能如表6所示，Mn13、Mn18-1和Mn18-2的耐磨性逐漸增強(qiáng)。

王汝杰[18]等人研究了水韌處理溫度對(duì)超高錳鋼微觀組織與力學(xué)性能的影響，并通過其形變硬化行為研究了其微觀變形機(jī)理。其化學(xué)成分為1.30%C、0.45%Si、25.7%Mn、6.6%Al、0.002%B，其力學(xué)性能如表7所示。從表中數(shù)據(jù)可知1050℃水韌處理后的強(qiáng)韌性配合較好，力學(xué)性能最優(yōu)。通過修正的Hollomon方程的擬合結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)該鋼具有連續(xù)的形變硬化行為，位錯(cuò)滑移機(jī)制為其形變強(qiáng)化機(jī)制。該鋼拉伸變形后的組織仍然只有單相奧氏體組織，并無馬氏體相變，表明該耐磨鋼的組織穩(wěn)定性較高，同時(shí)，其在拉伸變形過程中具有明顯的平面滑移特征，并且其TEM圖像中含有典型的高密度位錯(cuò)墻、微帶和泰勒晶格，從而使其具有較高的形變硬化能力和強(qiáng)度。

表4 改性前后的超高錳鋼化學(xué)成分[16]ωB/%

表5 試樣化學(xué)成分[24]ωB/%

表6 三種試樣熱處理后的力學(xué)性能[24]

表7 Fe-26Mn-7Al-1.3C耐磨鋼熱處理后的力學(xué)性能[18]

3 中錳鋼襯板的發(fā)展應(yīng)用

美國 Climax鉬業(yè)公司最早申請(qǐng)了中錳鋼專利，隨后國內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究[25]。中錳鋼是在高錳鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其在非強(qiáng)烈沖擊磨損工況下的良好耐磨性歸因于其表面能快速實(shí)現(xiàn)形變強(qiáng)化馬氏體轉(zhuǎn)變，使襯板磨損表面強(qiáng)度和硬度升高，而基體組織仍然為奧氏體，韌性較好，相比于高錳鋼，其耐磨性提高顯著[7]。另外，在工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)控制好 C、Mn的含量和匹配關(guān)系，使其滿足 Ms和 Md的要求[7]。

田浩亮[26]等人研究了合金化奧氏體對(duì)中錳鋼耐磨性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)加入Mo、Cr進(jìn)行合金化，可以阻礙粒狀碳化物的聚集，提高材料的韌性，減少C和Mn含量，使殘余奧氏體穩(wěn)定性降低，材料表面加工硬化能力增強(qiáng)并促進(jìn)碳化物的析出，基體強(qiáng)度和硬度提高，耐磨性增強(qiáng)，同時(shí)，相比高錳鋼Mn13，中錳鋼Mn8組織均勻，晶粒細(xì)化，碳化物以網(wǎng)狀和短鏈狀分布在晶內(nèi)，力學(xué)性能較好。沖擊功較高時(shí)，Mn8鋼的加工硬化能力比Mn13鋼更強(qiáng)的原因是Mn8鋼較低的C含量，此時(shí)C含量對(duì)鋼的加工硬化能力有較大影響[22,23]。另外，彌散分布的碳化物阻礙了滑移系的開動(dòng)和滑移，使位錯(cuò)纏結(jié)，增強(qiáng)加工硬化能力及耐磨性[23]。魏世忠[27]等人研究了不同C含量和熱處理工藝對(duì)中錳耐磨鋼的顯微組織和力學(xué)性能的影響。三種中錳鋼的化學(xué)成分如表8所示。研究發(fā)現(xiàn)1爐次和2爐次中的鋼經(jīng)850℃淬火+600℃回火3小時(shí)并空冷至室溫后沖擊韌度分別是其爐次中最高的，3爐次中的鋼經(jīng)850℃淬火+200℃回火3小時(shí)并空冷至室溫后其沖擊韌度最高。

Fu[9]等人研究了成分為0.15%～0.45%C、1.0%～2.0%Si、2.0% ～3.0%Mn、0.003% ～0.005%B、0.6% ～0.8%Cr、0.15%～0.20%Ti、0.08%～0.12%稀土元素的貝氏體耐磨鑄鋼，其熱處理工藝為“900℃空冷+250℃回火”，發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳含量為0.15%左右時(shí)主要形成M/A島和粒狀貝氏體，當(dāng)碳含量為0.30%左右時(shí)以針狀貝氏體和粒狀貝氏體為主并隨著合金元素含量增加逐漸變?yōu)樯县愂象w和針狀貝氏體，當(dāng)碳含量為0.45%左右時(shí)形成上貝氏體和下貝氏體組織并隨著合金元素含量增加逐漸形成大量下貝氏體組織，同時(shí)組織顯著細(xì)化。研究結(jié)果表明，通過合理的多元合金化設(shè)計(jì)，可以得到組織均勻、力學(xué)性能和耐磨性能優(yōu)良的空冷低合金貝氏體鑄鋼；隨碳含量增加，其強(qiáng)度、硬度顯著提高；在合金元素相同的條件下，隨碳含量增加，貝氏體鋼的塑性及韌性下降；在碳含量約為0.45%并且硅錳含量較高時(shí)，由上貝氏體和下貝氏體構(gòu)成的組織顯著細(xì)化，宏觀硬度＞55HRC，抗拉強(qiáng)度＞2000MPa，沖擊韌性＞30J/cm2，斷裂韌性＞70MPa·m1/2，強(qiáng)韌性較好，兩體靜載和三體動(dòng)載磨損條件下耐磨性均較好；另外，該空冷貝氏體鑄鋼生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境無污染，加入較少的稀貴合金元素，用于制造錘頭和襯板等工業(yè)產(chǎn)品，使用壽命是高錳鋼的2～7倍，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

Caballello[11]等人研究了Fe-0.2C-2Si-3Mn和Fe-0.4C-2Si-4Ni兩種空冷中錳貝氏體鋼，發(fā)現(xiàn)Fe-0.2C-2Si-3Mn貝氏體鋼斷裂韌性（KIc=160MPa·m1/2）和強(qiáng)度（1375～1440MPa）均較高，F(xiàn)e-0.4C-2Si-4Ni貝氏體鋼的強(qiáng)度達(dá)到1500～1840MPa，但斷裂韌性有所降低。馬來西亞的Saleh[28]等人研究了 0.15wt%C，1.4wt%Mn，0.26～1.96wt%Si的熱軋空冷貝氏體鋼，發(fā)現(xiàn)含1.44wt%Si的貝氏體鋼的強(qiáng)度與韌性均較高，均勻延伸率較好，表面加工硬化程度較好，耐磨性較高。Emin Bayraktar[29]等人研究發(fā)現(xiàn)中錳鋼的加工硬化能力比高錳鋼強(qiáng)，同時(shí)加入稀土元素進(jìn)行合金化明顯提高了其沖擊韌性，從而提高了襯板等在非強(qiáng)烈沖擊工況下的耐磨性，并且降低Mn含量降低了成本，經(jīng)濟(jì)效益較好[26]。邱昌瀚[30]等人研究了加熱工藝對(duì)中錳鋼殘余奧氏體含量的影響，發(fā)現(xiàn)殘余奧氏體的含量和穩(wěn)定性對(duì)耐磨性至關(guān)重要，C和Mn是穩(wěn)定奧氏體的元素，并極易在滲碳體中富集，當(dāng)奧氏體中C和Mn含量較低時(shí)，殘余奧氏體在水淬時(shí)極易轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

羅飛揚(yáng)[7]等人研究了中錳鋼在球磨機(jī)襯板上的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)中錳鋼經(jīng)1050～1070℃ 水淬后的組織主要為奧氏體和0～W2級(jí)碳化物，而少量碳化物對(duì)沖擊韌性影響不大，在非強(qiáng)烈沖擊條件下，其韌性可以滿足要求。在制造球磨機(jī)襯板時(shí)，其抗拉強(qiáng)度大于560MPa，沖擊韌性大于40J/cm2，相比于高錳鋼，其耐磨性較好，在?1.5m×3m 球磨機(jī)上使用時(shí)，不變形、不剝落、不斷裂以及運(yùn)行安全可靠，并且每噸鑄件成本降低約420元，而使用壽命提高16%，可顯著提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

Efremenko[12]等人研究了成分為1.21wt%C，2.56wt%Mn，1.59wt%Si的中錳鋼在不同熱處理?xiàng)l件下的雙體耐磨性，發(fā)現(xiàn)鋼的磨損行為與奧氏體體積分?jǐn)?shù)及其亞穩(wěn)性密切相關(guān)。經(jīng)900～1000℃淬火后，試樣的耐磨性最高。由于奧氏體的亞穩(wěn)定性，120Mn3Si2鋼的耐磨性比熱機(jī)械處理的商用鋼高4～5 倍[13]。Guo 等人[14]和 Narayanaswamy[28]等人推斷納米貝氏體具有比馬氏體（回火馬氏體）或珠光體更高的耐磨性是因?yàn)槟p下的表面加工硬化和微觀組織演變。

Shipway[32]等人研究了 0.45wt%C，2.08wt%Si，2.69wt%Mn中錳貝氏體鋼在不同熱處理?xiàng)l件下的硬度和滑動(dòng)磨損行為，發(fā)現(xiàn)鋼的耐磨性與微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，樣品的耐磨性與硬度沒有簡(jiǎn)單的相關(guān)性，當(dāng)硬度與韌性配合良好時(shí)其耐磨性較好。該鋼較高的硅含量可以抑制碳化物析出，細(xì)化貝氏體組織，表現(xiàn)出較高的硬度，并且高比例的細(xì)化貝氏體組織表現(xiàn)出較好的強(qiáng)韌性配合，而硬度較低的貝氏體組織在滑動(dòng)磨損期間易于變形，表現(xiàn)出較高的磨損率。Clayton和Devanathan[33]研究發(fā)現(xiàn)中錳貝氏體鋼的微觀結(jié)構(gòu)主要取決于材料成分和轉(zhuǎn)變行為，在低溫下轉(zhuǎn)變的高硬度鋼具有高耐磨性。Bhadeshia[32]量化了板條尺寸對(duì)貝氏體鋼硬度的影響，Young[32]等人研究表明貝氏體的體積分?jǐn)?shù)增加導(dǎo)致殘余奧氏體的碳含量增加，從而導(dǎo)致最終形成的馬氏體的硬度增加。

4 低錳合金鋼襯板的發(fā)展應(yīng)用

2007年以前，我國僅能生產(chǎn)少量低級(jí)別的耐磨鋼板，并且其性能穩(wěn)定性差，只能應(yīng)用于制造某些非核心部件，制造高端裝備的耐磨鋼板必需選擇進(jìn)口[34]。國外SSAB等公司利用其技術(shù)壟斷優(yōu)勢(shì)，抬高價(jià)格，并且供貨周期長(zhǎng)，使中國高端裝備的發(fā)展受到嚴(yán)重制約[34]。在此背景下，東北大學(xué)的王昭東[34]等人與南鋼合作，通過減量化合金設(shè)計(jì)方法成功研發(fā)出高韌型、耐高溫磨損型、超級(jí)耐磨型和低成本型等系列低合金耐磨鋼板，并在英國力拓、瑞士CV ACEROSAG、美國Caterpillar、澳大利亞FMG、中聯(lián)水泥等國際著名公司的球磨機(jī)生產(chǎn)上得到應(yīng)用。整體來看，中低合金耐磨鋼組織多為馬氏體、貝氏體、少量的殘余奧氏體和彌散分布的碳化物，可以改善材料的韌性和強(qiáng)硬度，硬度和韌性均較高，并且成本較低，易于在市場(chǎng)上推廣使用[37]。目前，球磨機(jī)襯板材料正在朝著中低合金化方向發(fā)展。

Wang Wei[35]等人研究了低錳合金鋼與傳統(tǒng)高錳鋼Mn13Cr2（其化學(xué)成分如表8所示）的抗沖擊磨損性能，其中低錳合金多相鋼的試樣在950℃下奧氏體化1.5小時(shí)后油冷至室溫（25℃），然后在450℃下回火2小時(shí)并空冷，Mn13Cr2鋼采用工業(yè)中常用的冷卻方法，將樣品在1000℃下加熱1小時(shí)，隨后水冷至室溫。研究發(fā)現(xiàn)擁有貝氏體、馬氏體和殘余奧氏體多相組織的低錳合金鋼具有比Mn13Cr2更高的拉伸強(qiáng)度、顯微硬度、加工硬化能力和抗沖擊磨損性，但沖擊韌性相對(duì)較小，隨著沖擊功的增加，他們的耐磨性均逐漸增強(qiáng)。低錳合金鋼的耐磨性與磨損時(shí)間呈線性相關(guān)，并且還與沖擊能量有關(guān)，試樣磨損表面的沖擊能量為1J以下時(shí)出現(xiàn)磨損峰值，沖擊能量為4J時(shí)它的耐磨性最好。與Mn13Cr2相比，低錳合金鋼的微觀硬度增量較大，但硬化層較淺。這與它們的強(qiáng)化機(jī)制有關(guān)，其主要強(qiáng)化機(jī)制分別是低錳合金鋼的相變（殘余奧氏體到馬氏體）、晶粒細(xì)化和高密度位錯(cuò)，Mn13Cr2的孿晶相互作用和位錯(cuò)壁。在沖擊磨損期間，低錳合金鋼發(fā)生了晶粒變形，定向特性，裂紋擴(kuò)展，空隙連接和塊狀殘余奧氏體對(duì)裂紋分支的阻滯作用，其磨損機(jī)制是壓入顆粒，微孔和分層的沖擊坑。Mn13Cr2主要通過孿晶的相互作用和位錯(cuò)壁增強(qiáng)耐磨性，在任何磨損條件下都沒有觀察到明顯的馬氏體轉(zhuǎn)變，其磨損機(jī)制是粘附，沖擊坑和微裂紋。

方鴻生[10,11]于20世紀(jì)70年代初期發(fā)明了新型Mn系空冷低錳貝氏體鋼，其空冷淬透性更好，有利于實(shí)現(xiàn)大件的空冷自硬且具有充足的韌性，同時(shí)適量Mn可顯著降低貝氏體相變驅(qū)動(dòng)力，貝氏體開始轉(zhuǎn)變溫度大幅度降低，細(xì)化貝氏體，強(qiáng)韌性配合較好，性能更好，并且所添加合金元素較少成本更低，另外，該系列貝氏體鋼設(shè)計(jì)出了低碳、中碳、中高碳三種不同系列，以滿足不同的性能和使用要求，同時(shí)，免去了淬火或“淬火+回火”熱處理工序，從而避免氧化脫碳及開裂等缺陷的發(fā)生，簡(jiǎn)化了工藝流程，節(jié)約能源，顯著降低生產(chǎn)成本。

表8 兩種鋼的化學(xué)成分[35]ωB/%

康沫狂[36]等人研究了新型低錳準(zhǔn)貝氏體鑄鋼的正火熱處理工藝。通過控制化學(xué)成分，使獲得貝氏體的冷速范圍顯著提高，使得到的鋼的鑄態(tài)或正火態(tài)組織為貝氏體鐵素體和殘余奧氏體。其熱處理工藝為控制奧氏體化溫度為800～1200℃，溫度梯度為40℃，保溫40min。正火之后在300℃下進(jìn)行1h的回火熱處理。研究結(jié)果表明，隨著正火溫度升高，其強(qiáng)韌性逐漸提高，1040℃時(shí)其強(qiáng)韌性最好，超過該溫度，其強(qiáng)度、韌性均逐漸下降，并且在該溫度下，其組織和晶粒均顯著細(xì)化，即該貝氏體在1040℃時(shí)強(qiáng)韌性配合最好，此時(shí)抗拉強(qiáng)度為1800MPa，沖擊韌性達(dá)到93J/cm2，硬度達(dá)到54～55HRC，并且該新型準(zhǔn)貝氏體鋼的力學(xué)性能顯著優(yōu)于當(dāng)前的超高強(qiáng)度鋼、典型貝氏體鋼和調(diào)質(zhì)鋼。同時(shí)，高溫正火可以細(xì)化組織，提高正火溫度可以改善斷口的斷裂韌性，表現(xiàn)為韌窩斷裂機(jī)制，改善組織遺傳性的機(jī)制為高溫奧氏體自發(fā)再結(jié)晶[10，33]。

李鳳照[37]等人研究了0.52%C-0.25%Si-0.35%Mn-0.25%Mo-0.01%B-1.50%Ni-1.70%Cr-0.10%Nb低合金空冷貝氏體鋼襯板，其硬度為45～60HRC，無缺口韌度達(dá)到（150～300）kJ/m2，強(qiáng)韌性較好，淬透性好，不需要進(jìn)行淬火和回火熱處理，幾乎沒有氧化脫碳現(xiàn)象的發(fā)生，節(jié)省能源，在粉碎鉬礦時(shí)，使用壽命是高錳鋼的3倍，而原料成本僅為高錳鋼的75%，顯著降低生產(chǎn)成本。

張偉等人[38，39]研究了成分為（0.4～1.2）%C，（0.8～2.0）%Si，（0.7 ～2.5）%Mn，（1.5 ～2.2）%Cr，（0.3 ～0.5）%Mo的低錳貝氏體鑄鋼襯板，其熱處理工藝為“910℃空冷+350℃回火”，獲得的貝氏體鋼硬度＞52HRC，沖擊功≥10J，綜合力學(xué)性能優(yōu)良，將其用于球磨機(jī)襯板和破碎機(jī)錘頭，雖然制造成本比高錳鋼提高了1倍，但使用壽命是高錳鋼的4～6倍，其相對(duì)成本大幅度降低。Mohamed Soliman[40]等人研究了成分為（0.55～1.15）%C，（1.5～2.15）%Si，（0.1～2.0）%Mn，（0.24～0.46）%Mo，（0.58～1.9）%Cr，（0.7～1.44）%Al，（0.14～1.8）%Co 的低溫貝氏體鋼的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)通過硅錳元素的合金化和適當(dāng)?shù)臒崽幚?，可以在低溫下獲得由細(xì)小的板條狀下貝氏體和薄膜狀殘余奧氏體組成的低溫貝氏體，組織中沒有碳化物，具有良好的加工硬化能力，強(qiáng)韌性配合較好，機(jī)械性能和耐磨性能均較好。并且，英國的 Bhadeshia和 Clayton等人研究發(fā)現(xiàn)碳化物的存在對(duì)貝氏體鋼的斷裂韌性和耐磨性有害[41]。綜合分析發(fā)現(xiàn)，加入適量硅元素和錳元素進(jìn)行合金化并進(jìn)行空冷處理，可以減少稀貴合金元素的加入量，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝流程，顯著降低低錳貝氏體鋼的生產(chǎn)成本，提高貝氏體鋼的淬透性和淬硬性，降低貝氏體相變驅(qū)動(dòng)力和Bs，避免碳化物的析出，有利于獲得細(xì)化的貝氏體組織，改善硅錳合金化貝氏體鋼襯板的強(qiáng)韌性，獲得良好耐磨性[42-45]。

5 主要合金元素的作用

C是穩(wěn)定奧氏體并擴(kuò)大奧氏體相區(qū)和增強(qiáng)材料淬透性的元素[25,30]。C含量的高低直接影響到材料的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，其含量過高會(huì)降低韌性和材料的焊接性能，影響到貝氏體的形態(tài)及其性能[11,16,46]。另外，C含量的增加會(huì)降低 Bs點(diǎn)和Ms點(diǎn)，使貝氏體的形成速度減慢，因此需合理控制鋼中碳的添加量[47]。

Mn是獲得并穩(wěn)定奧氏體和擴(kuò)大奧氏體相區(qū)及增強(qiáng)材料淬透性和純潔度的元素[16,26,30,47]，可以顯著降低貝氏體相變驅(qū)動(dòng)力和相變溫度（Ar1溫度和Bs點(diǎn)、Ms點(diǎn)），分離貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)與珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)，減緩貝氏體轉(zhuǎn)變，提高鋼的加工硬化能力，細(xì)化貝氏體尺寸，改善鋼的強(qiáng)韌性。隨著Mn含量的增加，貝氏體鋼強(qiáng)度提高，塑性變化不大，但其含量過高時(shí)也會(huì)使晶粒粗大，加大鋼的熱裂傾向[46,47]，降低鋼的力學(xué)性能。另外，Mn顯著影響空冷貝氏體鋼的獲得[11]，Mn與 C的含量配比影響Ms點(diǎn)和Md點(diǎn)[7]。

Si是非碳化物形成元素和強(qiáng)化鐵素體元素，并且可以提高鋼的淬透性、抗拉強(qiáng)度、硬度和彈性極限，對(duì)獲得無碳化物貝氏體十分重要，并且可以穩(wěn)定富碳?xì)堄鄪W氏體，降低Ar1溫度和Bs點(diǎn)，減緩貝氏體轉(zhuǎn)變，細(xì)化晶粒尺寸，提高耐磨鋼的回火穩(wěn)定性，其含量一般不高于3%，否則會(huì)使鋼的沖擊韌性迅速降低，影響球化退火狀態(tài)下鋼的切削與冷加工性能[7，42，46，47]。

Cr和Mo都是提高鋼的淬透性、回火穩(wěn)定性及細(xì)化組織的元素，提高鋼的強(qiáng)韌性和耐磨性[7，46]。在合金鋼中Mo是不可缺的合金元素，Cr可以改善錳鋼的加工硬化能力和穩(wěn)定性，提高中錳鋼的屈服強(qiáng)度，但Cr含量過高會(huì)降低鋼的沖擊韌性，并且Cr和Mo都是稀貴合金元素，因此合理控制Cr和Mo元素的含量對(duì)獲得綜合性能較高的襯板材料十分重要[48]。

Al可以促進(jìn)磨損過程中氧化物薄膜的形成，提高淬透性、耐磨性、抗高溫氧化性和耐蝕性，使貝氏體相變區(qū)擴(kuò)大，尤其是在高載荷條件下[16，47]。Al促進(jìn)了貝氏體的形成，加速貝氏體鐵素體轉(zhuǎn)變，阻止碳化物的生成，提高了貝氏體相變形核率，減少了殘留奧氏體含量，細(xì)化了貝氏體，提高斷裂強(qiáng)度以及沖擊韌性，但會(huì)使鋼的硬度略微降低[48，49]。添加C、Mn和Al可以使鋼的層錯(cuò)能提高，Al與Si、Cr配合使用可顯著提高鋼的高溫不起皮性能和耐高溫腐蝕能力，但Al的添加也會(huì)影響鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性能[47]。

另外，Cu可以增強(qiáng)耐磨鋼的抗蝕作用，B、Ni可以提高鋼的淬透性，Ni還能提高鋼的強(qiáng)韌性，一定量的Ti可提高中錳鋼的韌性，但這些元素多為貴重元素，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況適量添加[48，49]。

6 磨損機(jī)理

初始磨損階段，硬度是耐磨性的主要決定因素，磨損進(jìn)行一段時(shí)間后，韌性開始起主要作用。高錳鋼在高沖擊條件下的良好耐磨性與其磨損表面迅速加工硬化從而提高其表面硬度有關(guān)，而芯部的高韌性保證了后續(xù)的耐磨性。中低合金耐磨鋼在中低沖擊條件的耐磨性與其良好的硬度和韌性有關(guān)，從而使其保持良好的耐磨性。

耐磨性主要由硬度和強(qiáng)韌性決定，是衡量襯板材料性能的主要標(biāo)志，而材料的磨損機(jī)制應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用工況來定，其大致可分為磨料磨損、黏著磨損、接觸疲勞磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損等幾種基本形式[5]，磨損機(jī)制主要為微切削、犁削、塑性變形、微空洞、微凹槽、微裂紋、分層、壓入顆粒等[35,50]。磨損時(shí)微裂紋的不斷擴(kuò)展導(dǎo)致變形區(qū)域剝落而出現(xiàn)剝落層或者剝落坑，硬脆的馬氏體相在磨料粒子（磨球或者礦物）的沖刷下容易發(fā)生脆性剝落和裂紋擴(kuò)展，磨損失重較大[5]。當(dāng)襯板材料具有較好的沖擊韌性和伸長(zhǎng)率時(shí)，來自磨料（磨球或者礦物）的沖擊能量可以被吸收，從而阻止受磨面裂紋萌生擴(kuò)展和剝落的出現(xiàn)，只有由強(qiáng)烈的變形而導(dǎo)致的變形坑的出現(xiàn)[5]。同時(shí)，鋼中的殘余奧氏體可以松弛裂紋尖端的應(yīng)力集中，鈍化裂紋尖端，從而增大裂紋擴(kuò)展阻力，降低裂紋的擴(kuò)展速率，甚至阻礙裂紋的進(jìn)一步傳播，阻止裂紋的形成，并減少裂紋尖端區(qū)馬氏體的形成，避免宏觀裂紋（斷裂）的形成[51-57]。另外，磨損材料表面的磨屑起到了粘合劑的作用，使貝氏體鋼塑性變形能力增強(qiáng)。磨損表面下的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體將導(dǎo)致壓縮殘余應(yīng)力場(chǎng)的形成，這有利于在該表面中形成極細(xì)的晶粒并抵抗殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)產(chǎn)生的體積膨脹，從而抑制裂紋萌生和擴(kuò)展，提高磨損表面的耐磨性[58-63]。此外，彌散分布的碳化物能抑制多個(gè)滑移系開動(dòng)，形成位錯(cuò)環(huán)，提高位錯(cuò)密度，并使其相互纏結(jié)，使滑移線受阻而呈現(xiàn)彎曲狀，從而繞過硬質(zhì)點(diǎn)，使加工硬化能力得到提高，表層由于較大的變形而獲得較高硬度，同時(shí)芯部仍保持一定的韌度，增強(qiáng)了表面抵抗鑿坑變形和磨料磨損的能力[41]。

7 展望

隨著我國礦山、水泥等行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)球磨機(jī)襯板材料的要求也越來越高，不僅要求其具有良好的強(qiáng)韌性配合，有時(shí)也需要其具有良好的耐熱、耐蝕能力。中低錳鋼用作襯板材料時(shí)成本適宜，經(jīng)過一定處理后基本能滿足大多數(shù)工況的使用要求，其生產(chǎn)工藝也日趨成熟，將成為未來襯板材料的發(fā)展方向。另外，應(yīng)該加快研究大沖擊工況下材料的磨損機(jī)理、微元合金化復(fù)合變質(zhì)處理機(jī)理，研制適合于大載荷、大沖擊工況，兼顧耐磨性和耐蝕性的高性能耐磨材料，分析其綜合機(jī)械性能，制定完善可靠的制備工藝以滿足生產(chǎn)實(shí)踐的要求，并結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)模擬襯板材料的工作環(huán)境和工藝[64-71]，為生產(chǎn)實(shí)踐提供參考，起到節(jié)能、節(jié)材、降低成本、提高企業(yè)生產(chǎn)效率的作用[2]。為了降低生產(chǎn)成本，取得良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，我們應(yīng)從以下五方面入手[72-78]：

（1）深入研究球磨機(jī)襯板在不同工況條件下的磨損機(jī)理，不以偏概全；

（2）不斷優(yōu)化襯板材料的化學(xué)成分配比，降低稀貴合金元素的添加量，盡量尋找貴重元素的替代者；

（3）不斷優(yōu)化熔煉鑄造工藝和熱處理工藝，簡(jiǎn)化工藝流程，降本降耗；

（4）探討新材料研發(fā)與表面強(qiáng)化處理相結(jié)合的生產(chǎn)工藝；

（5）規(guī)范行業(yè)生產(chǎn)規(guī)范，提高準(zhǔn)入門檻，及時(shí)淘汰落后產(chǎn)能。

綜合考慮以上因素，筆者設(shè)計(jì)了一種新型低錳合金球磨機(jī)襯板材料，其化學(xué)成分為：0.45wt.%C，2.5wt.%Si,2.2wt.%Mn,0.8wt.%Cr,0.3wt.%Mo,0.004wt.%B，熱處理工藝為900℃奧氏體化1小時(shí)后空冷至室溫，經(jīng)觀察其組織為細(xì)小的針狀貝氏體和薄膜狀殘余奧氏體，組織較為均勻，硬度為56.5HRC，耐磨性比普通高錳鋼提高1倍以上，并且該材料所含貴重元素較少，熱處理工藝簡(jiǎn)單，極大地降低了生產(chǎn)成本，具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

8 結(jié)論

顯微組織、硬度和韌性是球磨機(jī)襯板材料選擇的重要指標(biāo)，為了提高襯板材料的使用壽命，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)的措施也應(yīng)從這幾方面入手。

錳系耐磨鋼作為球磨機(jī)襯板材料，其發(fā)展經(jīng)歷了相當(dāng)長(zhǎng)的一個(gè)過程，從高錳含量逐漸發(fā)展為現(xiàn)在的中、低錳含量，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究，形成了錳鋼系襯板材料的多元化發(fā)展體系，目前一般通過合金化和改變熱處理方式對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，其使用壽命不斷延長(zhǎng)，生產(chǎn)成本日漸降低。但目前市場(chǎng)上的錳鋼系襯板材料仍然添加了較多的鉻、鉬、硼等合金元素，熱處理工藝復(fù)雜，性價(jià)比低。

為了進(jìn)一步解決球磨機(jī)襯板在使用過程中出現(xiàn)的磨損問題，減少企業(yè)生產(chǎn)成本，我們必須充分了解襯板材料的工作條件、磨損機(jī)理以及各種元素的作用，尋找貴重元素的替代者，根據(jù)球磨機(jī)不同位置及工況條件對(duì)耐磨性與使用性能的不同要求選擇相應(yīng)的球磨機(jī)襯板材料并加快研發(fā)新型球磨機(jī)襯板耐磨材料及增加球磨機(jī)襯板材料表面的耐磨性，從而提高球磨機(jī)襯板的使用壽命，降低生產(chǎn)成本和能耗，保護(hù)環(huán)境，提高公司效益。另外，在設(shè)計(jì)材料時(shí)不僅僅要考慮到成本因素，更要考慮產(chǎn)品報(bào)廢后的回收再處理對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響，做到綠色生產(chǎn)。