于浩 ， 宋邦民 ，2

（1.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083；2.蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司研究院，安徽 蕪湖 241000）

耐磨鋼鐵材料作為裝備制造的基礎(chǔ)材料，在礦山選礦領(lǐng)域具有舉足輕重的作用，其優(yōu)異的耐磨性和較高的硬度能夠?qū)ΦV石進(jìn)行破碎和研磨，是選礦作業(yè)能否高質(zhì)、高效的關(guān)鍵所在。國(guó)內(nèi)早期的選礦設(shè)備以小口徑球磨機(jī)為主，耐磨鋼球主要要求高耐磨性。近20年來，國(guó)內(nèi)不斷引進(jìn)高質(zhì)、高效的半自磨機(jī)等新設(shè)備、新技術(shù)，半自磨機(jī)內(nèi)的作業(yè)工況對(duì)耐磨材料的韌性要求越來越高，20世紀(jì)80、90年代國(guó)內(nèi)研究較多的高鉻鑄鐵等耐磨材料已不能滿足應(yīng)用要求，為此，選礦行業(yè)同步引進(jìn)了國(guó)外的低合金耐磨材料。隨著行業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展，半自磨機(jī)的直徑不斷增大，耐磨鋼球的高硬度（耐磨性）和沖擊韌性之間的矛盾逐漸成為行業(yè)發(fā)展的主要限制環(huán)節(jié)。由于近20年來耐磨鋼鐵材料的舶來主義，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的報(bào)導(dǎo)較少，因此有必要對(duì)選礦領(lǐng)域的耐磨材料、服役工況、失效機(jī)理等方面進(jìn)行梳理和總結(jié)，以便于研究、攻克相關(guān)的限制問題。

本文對(duì)選礦作業(yè)材料失效方式、工藝裝備的工況條件、應(yīng)用于該行業(yè)的耐磨鋼鐵材料等方面的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了分析和總結(jié)。針對(duì)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢(shì)，闡述了短流程工藝生產(chǎn)不同尺度硬質(zhì)相粒子協(xié)同作用的高強(qiáng)韌型貝氏體耐磨材料和引入Q&P工藝制備高韌塑性馬氏體耐磨材料兩種提高耐磨鋼球沖擊韌性和耐磨性的技術(shù)原理，為綠色、低碳、高效、節(jié)能的高質(zhì)量選礦行業(yè)的發(fā)展提供了借鑒和思路。

1 選礦作業(yè)設(shè)備服役工況及材料失效機(jī)理

1.1 選礦作業(yè)設(shè)備行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)30年代，美國(guó)制造了世界上第一臺(tái)濕式自磨機(jī)，利用礦石自身的重量和硬度相互碰撞、相互研磨，將塊礦進(jìn)行破碎，顯著提高了工業(yè)選礦的效率。60年代，將自磨機(jī)改良為半自磨機(jī)，添加15%左右的鋼球，利用鋼球的重量和硬度與塊礦相互沖擊、相互磨削，加速了塊礦的破碎，進(jìn)一步提高了效率。此后，半自磨機(jī)在秘魯、澳大利亞、美國(guó)、愛爾蘭等國(guó)外各大礦山上得到了普遍的應(yīng)用。2000年以前，國(guó)內(nèi)主要選礦廠——銅陵有色、江西銅業(yè)、中國(guó)黃金等主要使用添加高耐磨鑄鐵球的自磨機(jī)，2000年開始引進(jìn)半自磨機(jī)技術(shù)和設(shè)備。

隨著新技術(shù)、新裝備的應(yīng)用和發(fā)展，磨損成為選礦領(lǐng)域設(shè)備和材料最主要的失效方式，作為耐磨材料的中流砥柱，各種類型的耐磨鋼鐵材料在選礦領(lǐng)域中開始嶄露頭角，耐磨鋼鐵材料的大規(guī)模推廣及應(yīng)用使其成為選礦企業(yè)磨損量最大的損耗材料。

耐磨鋼球是球磨機(jī)中最常用、消耗量最大的研磨體，以煤礦、礦山、水泥行業(yè)應(yīng)用最多。國(guó)內(nèi)外使用較多的耐磨球材料有合金鋼鑄鋼、鉻合金鑄鐵、鍛軋低合金鋼等材料。鉻合金鑄鐵球已經(jīng)逐步替代合金鋼鑄球，成為直徑較小的球磨機(jī)的主要使用材料。低合金耐磨鋼添加了提高淬透性的元素，以淬火＋低溫回火工藝獲得回火馬氏體組織，該組織既具有較高的硬度，同時(shí)沖擊韌性也得到了一定程度的改善和提高，用其制備的軋球和鍛球也已廣泛應(yīng)用于直徑較大的自磨機(jī)和半自磨機(jī)，但隨著半自磨機(jī)的直徑不斷增大，韌性已顯不足。

1.2 選礦作業(yè)工藝裝備及工況

從礦山開采出來的原礦石往往都是硬度高、尺寸大的塊礦，需要破碎到一定尺度的小顆粒才能使用。選礦作業(yè)的主要設(shè)備是磨機(jī)，分為半自磨機(jī)和球磨機(jī)，分別如圖1、圖2所示。國(guó)內(nèi)外普遍采用半自磨＋球磨工藝（SAB），其工藝流程為：破碎（半自磨機(jī)）→粗磨（球磨機(jī)）→精磨。目前，國(guó)外半自磨機(jī)的直徑普遍大于10 m，國(guó)內(nèi)2000年左右引進(jìn)的半自磨機(jī)普遍為8～10 m，2010年以后引進(jìn)較大直徑半自磨機(jī)，直徑最大達(dá)到13.97 m。

圖1 國(guó)內(nèi)某礦山Φ10.97 m×6.1 m半自磨機(jī)Fig.1 Semi-autogenous Mill with Φ10.97 m×6.1 m in a Domestic Mine

圖2 國(guó)內(nèi)某礦山Φ5.03 m×8.3 m球磨機(jī)Fig.2 Ball Mill with Φ5.03 m×8.3 m in a Domestic Mine

在磨機(jī)內(nèi)，塊礦與耐磨鋼球按照一定比例（約75∶15）混裝，電機(jī)驅(qū)動(dòng)磨機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，塊礦和耐磨鋼球一起被帶動(dòng)上升，達(dá)到一定高度時(shí)被“拋落”，與底部的礦石和磨球相互碰撞，隨后重新被帶動(dòng)上升。如此，塊礦和磨球一同做著“升起-下落”、“摩擦-碰撞”的往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，直至礦塊粉碎到目標(biāo)直徑的顆粒，被篩出后進(jìn)入下一道工序。

礦石和耐磨鋼球的相互作用方式主要有相互研磨和相互碰撞：當(dāng)做抬升運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩者之間因自身重量而緊密接觸，相互滑動(dòng)，硬度高的鋼球?qū)τ捕鹊偷牡V石進(jìn)行研磨；當(dāng)做拋落運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩者由高空落地時(shí)與底部礦石相互碰撞，在強(qiáng)有力的沖擊力下破碎礦石。

半自磨機(jī)與球磨機(jī)都需要添加磨球，借助磨球?qū)ΦV石的物理作用進(jìn)行磨損。兩者的主要區(qū)別是半自磨機(jī)的直徑大、長(zhǎng)度短、轉(zhuǎn)速高、鋼球運(yùn)動(dòng)速度快、落差大、沖擊力強(qiáng)，主要用來對(duì)原礦石進(jìn)行破碎；而球磨機(jī)的直徑偏小、長(zhǎng)度較長(zhǎng)、轉(zhuǎn)速低、鋼球運(yùn)動(dòng)速度慢、落差小、沖擊力弱，主要用于研磨礦石。為了減少粉塵，加速磨礦，一般會(huì)在磨機(jī)內(nèi)加水，俗稱濕磨。濕磨環(huán)境會(huì)導(dǎo)致高硬度磨球組織中馬氏體的氫致開裂，將加劇耐磨鋼球的失效。

1.3 選礦作業(yè)的材料失效機(jī)理

耐磨鋼球與礦石的相互研磨和相互碰撞作用是一種磨損行為。磨損是一種復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，承受劇烈的力學(xué)作用，發(fā)生物理化學(xué)變化，受到材料、載荷、環(huán)境、溫度等多種因素影響。根據(jù)磨損表面的作用和破壞形式，普遍將磨損分為5種類型，即磨料磨損、黏著磨損、沖蝕磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損等。20世紀(jì)90年代，研究人員在研究磨損機(jī)理時(shí)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在工業(yè)領(lǐng)域磨料磨損和黏著磨損是最主要的磨損類型，占比超過65%，其中磨料磨損占比超過50%。在礦山選礦破碎礦石方面，磨料磨損是主要的磨損形式。

1.3.1 磨料磨損機(jī)理

磨料磨損是材料硬顆粒與凸起物相對(duì)摩擦?xí)r，材料表面發(fā)生損耗的一種磨損，也稱為磨粒磨損。磨損過程中會(huì)產(chǎn)生微犁溝、微切削、微疲勞和微斷裂等作用，磨料磨損形式示意圖如圖3所示，與此相對(duì)應(yīng)的磨損機(jī)理有三種。

圖3 磨料磨損形式示意圖Fig.3 Schematic Diagram for Wear Form of Abrasive

（1）微觀切削磨損機(jī)理。在外力的作用下，硬磨粒以一定的角度接觸材料表面時(shí)，垂直于材料表面的法向力使磨粒刺入摩擦表面，切應(yīng)力使磨粒向前滑動(dòng)，從而在材料表面形成犁溝，如圖3（a）所示。此時(shí)如果材料的塑性較差，磨粒的棱角尖銳，與接觸表面之間的沖角大于臨界值，則磨粒就會(huì)像刀具一樣，對(duì)表面進(jìn)行剪切和切削，直接造成材料去除，形成一次切屑，在磨損表面產(chǎn)生深度和寬度都非常小的溝槽，稱為微切削，如圖 3（b）所示。磨料的硬度及相互之間的相對(duì)值是影響磨損的基本因素，硬度越高，磨損量越小。

（2）塑變（犁皺或沖擊）造成的疲勞磨損機(jī)理。對(duì)于塑性較好的材料，如果磨粒的棱角較鈍，當(dāng)切入角小于臨界值時(shí)，磨?；^材料表面時(shí)，只能把材料推擠到犁溝的兩側(cè)和前緣，造成較大的塑性變形，而不能產(chǎn)生切削作用和形成一次切屑，這時(shí)犁溝被稱之為犁皺。當(dāng)再次受到磨粒的作用時(shí)，這些己經(jīng)塑性變形的材料將遭受再一次的犁皺變形，如此反復(fù)塑性變形，最終形成疲勞裂紋并剝落磨屑，如圖3（c）所示。

（3）裂紋擴(kuò)展控制的斷裂（剝落）磨損機(jī)理。對(duì)于脆性材料，斷裂磨損機(jī)理主要占支配的地位。在磨粒壓入和切削材料表面的過程中，當(dāng)磨粒的壓痕深度超過臨界壓痕深度時(shí)，壓痕底部的接觸壓力促使材料生成裂紋并向周圍擴(kuò)展。當(dāng)平行于表面的裂紋互相交叉或擴(kuò)展到表面時(shí)，材料表面就會(huì)有微粒剝落，形成磨屑，如圖3（d）所示。

在磨料磨損過程中，上述幾種磨損機(jī)理可以隨著材料自身特性以及外界磨損條件的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)變，隨著材料硬度的增加和斷裂韌性的降低，磨料磨損機(jī)理的轉(zhuǎn)變順序?yàn)椋核茏儯ɡ绨櫥驔_擊）造成的疲勞磨損、微觀切削磨損和裂紋擴(kuò)展控制的斷裂（剝落）磨損。此外，在特定實(shí)際工況條件下，材料的磨損往往是以一種磨損機(jī)理為主，幾種磨損機(jī)理復(fù)合作用的結(jié)果。

1.3.2 選礦作業(yè)的磨料磨損

磨料磨損常用兩種分類方法，其中按照磨料與工件之間作用應(yīng)力的大小，磨料磨損又分為低應(yīng)力擦傷式磨料磨損、高應(yīng)力碾碎式磨料磨損和鑿削式磨料磨損。選礦作業(yè)不同工裝設(shè)備表現(xiàn)出差異很大的作用應(yīng)力，適用這種分類方法來進(jìn)行分類。

低應(yīng)力擦傷式磨料磨損。其特征是接觸應(yīng)力低，接觸松散，滑動(dòng)自由。磨料的接觸應(yīng)力低，不超過其本身的壓碎強(qiáng)度，對(duì)工件表面只造成擦傷和輕微的切削，如犁鏵、料倉(cāng)、漏斗等的磨損。

高應(yīng)力碾碎式磨料磨損。其特征是接觸應(yīng)力高，磨料受到工件表面的擠壓和摩擦，局部的接觸應(yīng)力非常高，超過了磨料的壓碎強(qiáng)度，使磨料不斷被碾碎成越來越小的碎片。而破碎的碎片呈多角形，可以嵌入切削工件表面，使工件摩擦表面產(chǎn)生凹坑和溝槽，如球磨機(jī)的磨球、襯板，礦石粉碎機(jī)的顎板和滾式破碎機(jī)的滾輪等的表面磨損。

鑿削式磨料磨損。其特征是沖擊力大，磨料與工件表面垂直或呈一定的傾斜角，以很大的沖擊力切入表面，造成接觸表面的宏觀變形，并鑿削下大顆粒掉塊，使磨損表面有較深的壓痕和溝槽。

適用半自磨機(jī)的耐磨鋼球的尺寸較大，一般直徑為120～150 mm，單球質(zhì)量 7～14 kg。在半自磨機(jī)旋轉(zhuǎn)抬升時(shí)，礦石和磨球之間接觸松散，相對(duì)滑動(dòng)，接觸應(yīng)力較低，其磨損行為主要為低應(yīng)力擦傷式磨料磨損。當(dāng)?shù)V石和磨球跌落時(shí)，因?yàn)榫薮蟮穆洳?，底部的礦石受到耐磨鋼球劇烈的碰撞沖擊作用而破碎，此時(shí)磨損行為主要為鑿削式磨料磨損?？傮w而言，半自磨機(jī)的直徑較大，磨球的質(zhì)量較重，鑿削式磨料磨損占據(jù)主導(dǎo)地位。

球磨機(jī)的直徑為4～8 m，適用的耐磨鋼球的尺寸一般直徑為 60～100 mm，單球質(zhì)量 1～4 kg。在球磨機(jī)內(nèi)，落差較小，鋼球質(zhì)量較輕，礦石和耐磨鋼球相互碰撞的作用減輕，鑿削式磨料磨損行為占比降低，高應(yīng)力碾碎式磨料磨損占據(jù)主導(dǎo)地位。整體而言，球磨機(jī)的磨損行為主要為高應(yīng)力碾碎式磨料磨損，低應(yīng)力擦傷式磨料磨損次之。

精磨機(jī)的直徑小于4 m，適用的耐磨鋼球一般直徑為20～40 mm，鋼球已經(jīng)沒有沖擊作用，礦石和耐磨鋼球主要做相互研磨作用，此時(shí)的磨損行為主要為低應(yīng)力擦傷式磨料磨損。

2 耐磨鋼鐵材料在選礦行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

經(jīng)過多年發(fā)展，耐磨鋼鐵材料主要有高錳鋼、普通白口鑄鐵、高鉻鑄鐵、特殊耐磨鋼和中低合金耐磨鋼，其中高錳鋼、高鉻鑄鐵和低合金耐磨鋼在選礦作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，下面予以重點(diǎn)介紹。

2.1 高錳鋼

高錳鋼是1882年由英國(guó)冶金學(xué)家Robert Abbott Hadfield發(fā)明，將普通鑄鐵中錳含量添加至12%，經(jīng)水韌處理后能獲得單一的奧氏體組織，在高應(yīng)力、強(qiáng)沖擊的工況下便表現(xiàn)出良好的耐磨性能。典型牌號(hào)為ZGMn13，主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 為 C 1.0%～1.4%、Mn 11.0%～14.0%、Si 0.3%～1.0%。目前，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中共有奧氏體錳鋼10個(gè)牌號(hào)，對(duì)應(yīng)國(guó)際ISO標(biāo)準(zhǔn)的9個(gè)牌號(hào)，具體化學(xué)成分參見 GB/T 5680-2010，各牌號(hào)的高錳鋼化學(xué)成分是在 ZGMn13 的基礎(chǔ)上，調(diào)整 Cr、Mo、Ni、W合金元素的含量，來改善合金性能，以適應(yīng)具體的應(yīng)用工況。

高錳鋼的鑄態(tài)組織主要由奧氏體、碳化物和珠光體組成，碳化物常常在晶界上呈網(wǎng)狀分布，導(dǎo)致鑄態(tài)高錳鋼脆性大而無法使用。為了消除網(wǎng)狀碳化物，需對(duì)高錳鋼進(jìn)行固溶處理，即將鋼加熱到1 050～1 100℃，奧氏體化后得到單相奧氏體組織，然后水淬快速冷卻，使奧氏體組織保持到常溫，固溶處理后高錳鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性均得到大幅度提高，該熱處理技術(shù)被稱為水韌處理，高錳鋼典型顯微組織如圖4所示。

圖4 高錳鋼典型顯微組織Fig.4 Typical Microstructure of High Manganese Steel

在受到強(qiáng)烈沖擊摩擦或鑿削時(shí)，高錳鋼組織會(huì)發(fā)生相變，形成大范圍的堆垛層錯(cuò)、孿晶以及平面位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，表層硬度會(huì)從180～220 HB提高至500～550 HB，而心部仍然保持良好的韌性。這種極強(qiáng)的加工硬化能力由其變形強(qiáng)化機(jī)制所決定，主要硬化機(jī)理有形變誘發(fā)馬氏體相變硬化、孿晶硬化、位錯(cuò)硬化、動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效硬化、Fe-Mn-C原子團(tuán)硬化等，往往由上述多種機(jī)制復(fù)合調(diào)控。

對(duì)于高錳鋼而言，使用環(huán)境要求有大的沖擊載荷、沖擊性摩擦，這些都能提供大的應(yīng)變速率和大的局部應(yīng)變量，是提供材料孿晶變形的外部因素。這一點(diǎn)與半自磨機(jī)、球磨機(jī)的使用環(huán)境契合，因此高錳鋼是半自磨機(jī)、球磨機(jī)內(nèi)部襯板的首選材料。近年來隨著半自磨機(jī)的直徑不斷增大，高錳鋼耐磨襯板的壽命已顯不足，高錳TWIP鋼耐磨襯板或?qū)⒊蔀橐粋€(gè)新的研究方向。

2.2 高鉻鑄鐵

高鉻鑄鐵是指C含量為2.2%～3.6%、Cr含量為11%～30%的合金白口鑄鐵。高鉻鑄鐵于20世紀(jì)30年代先后在美國(guó)和英國(guó)試制成功，但是由于冶煉技術(shù)不成熟，直到20世紀(jì)60年代電爐冶煉廣泛應(yīng)用以后，高鉻鑄鐵才得到較大發(fā)展。典型高鉻鑄鐵的牌號(hào)有Cr12、Cr15Mo、Cr26等，尤其是由美國(guó)的Clmax公司研制的15Cr3Mo合金，以其優(yōu)異的抗磨性而被冠以“抗磨材料王”的稱號(hào)。圖5為高鉻鑄鐵的熱處理工藝示意圖。

圖5 高鉻鑄鐵的熱處理工藝示意圖Fig.5 Schematic Diagram for Heat Treatment Process of High Chromium Cast Iron

高鉻鑄鐵的生產(chǎn)工藝一般為鑄造→高溫固溶處理→淬火→回火。其組織一般為共晶碳化物＋二次碳化物＋馬氏體＋殘余奧氏體。由于含有較高鉻元素，二次碳化物以（CrFe）C為主，以不連續(xù)的方式分布在馬氏體基體上，其硬度高達(dá)1 200～1 600 HV，共晶碳化物以孤立（或不連續(xù)）狀分布在基體上，因而其宏觀硬度很高，又有一定韌性，故具有優(yōu)良的耐磨性。高鉻鑄鐵兼有良好的抗高溫和抗腐蝕性能，加之生產(chǎn)便捷、成本適中，而被譽(yù)為當(dāng)代最優(yōu)良的抗磨損材料之一。同樣因?yàn)楹辖鹪劂t含量高，鑄造時(shí)容易產(chǎn)生偏析，冷卻時(shí)在晶間析出碳化物，需要進(jìn)行高溫固溶處理，其較大鑄件的韌性較差，容易開裂。

高鉻鑄鐵由于硬度高和優(yōu)良的耐磨性，在低應(yīng)力擦傷式磨料磨損中表現(xiàn)優(yōu)異，20世紀(jì)80、90年代在國(guó)內(nèi)耐磨鋼球領(lǐng)域得到了廣泛深入的研究和應(yīng)用。但是由于其生產(chǎn)工藝的限制，直徑較大的磨球韌性差，因此常常鑄造成小球，用于直徑小的球磨機(jī)。 在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 17445-2009《鑄造磨球》中的典型牌號(hào)有 ZQCr26、ZQCr15和ZQCr12，主要用于直徑小于4 m的球磨機(jī)內(nèi)。由于近年來球磨機(jī)的直徑普遍提高到4～8 m，高鉻鑄鐵鑄件被低合金耐磨鋼所取代，但其仍用于水泥、電力等行業(yè)的礦石精磨工序。

2.3 低合金耐磨鋼

耐磨鋼球用低合金耐磨鋼是伴隨著半自磨機(jī)引進(jìn)，作為耗材同步引進(jìn)國(guó)內(nèi)大量應(yīng)用的。低合金耐磨鋼合金總量≤5%，具有較高硬度。通過添加C、Si、Mn、Cr、Mo，以及 Ti、V、Nb 等微合金元素，提高耐磨鋼的淬透性和淬硬性，使得鋼球能夠全尺寸淬透，經(jīng)過回火處理獲得回火馬氏體＋殘余奧氏體組織；或者經(jīng)過等溫淬火處理獲得貝氏體＋殘余奧氏體組織。由于其合金元素配比靈活，也可調(diào)整合金含量和熱處理工藝獲得馬氏體-貝氏體雙相組織等。相比于高錳鋼和高鉻鑄鐵，低合金耐磨鋼添加的合金元素不含貴重稀缺元素，國(guó)內(nèi)儲(chǔ)量較多，成本低。而且其生產(chǎn)工藝多樣，可鑄可鍛，熱處理方式靈活，工件具有較高硬度和足夠韌性，綜合性能優(yōu)良。在硬度大于50 HRC的情況下，韌性值可達(dá)20～40 J，可在較大范圍內(nèi)控制硬度和韌性的匹配關(guān)系，在各類磨料磨損工況下均可獲得較好的耐磨性，因此成為承擔(dān)半自磨機(jī)和球磨機(jī)高應(yīng)力碾碎式磨料磨損和鑿削式磨料磨損的主要材料。常用耐磨鋼球用低合金耐磨鋼主要分為兩類，一類是兼顧硬度和韌性的貝氏體耐磨鋼，另一類是以高硬度為主的馬氏體耐磨鋼。

我國(guó)的低合金貝氏體耐磨鋼以自主開發(fā)的Mn-B系為主，在此基礎(chǔ)上，清華大學(xué)通過提高Si含量和添加適量的Cr、Ni、Mo等合金元素，研制了系列化、中碳Mn-Si-B系空冷貝氏體耐磨鋼。20世紀(jì)90年代，清華大學(xué)方鴻生教授聯(lián)合國(guó)內(nèi)幾大礦廠研制的中合金貝氏體耐磨鋼球，采用鍛/軋后空冷工藝，獲得貝氏體＋馬氏體組織，硬度能達(dá)到50～60 HRC，沖擊韌性大于10 J，在直徑3 m以下的球磨機(jī)上得到了很好的應(yīng)用。

低合金馬氏體耐磨鋼球主要采用鍛、軋方式生產(chǎn)，工藝為余熱淬火＋低溫回火，獲得全尺寸回火馬氏體，體積硬度均勻，能達(dá)到57～64 HRC，無缺口沖擊韌性能達(dá)到10 J左右，在自磨機(jī)和半自磨機(jī)上得到大量應(yīng)用。2020年磨球行業(yè)主要企業(yè)在北京擬定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將國(guó)內(nèi)外常用的馬氏體耐磨鋼根據(jù)合金成分進(jìn)行劃分，主要分為C-Mn類、C-Si-Mn-Cr類、C-Mn-Cr-Mo類。低合金耐磨鋼球用鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 低合金耐磨鋼球用鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Composition of Low-alloy Wear-resistant Steel Balls （Mass Fraction） %

C-Mn類具有較高的碳含量，淬透性偏低，硬度高于60 HRC，沖擊韌性低，適合承受低應(yīng)力擦傷式磨料磨損，主要用于小于Φ50 mm的鋼球，應(yīng)用于精磨機(jī)內(nèi)。C-Mn-Cr-Mo類在C-Mn類基礎(chǔ)上添加了Cr以提高淬透性，添加Mo元素析出復(fù)雜碳化物進(jìn)行沉淀強(qiáng)化，可以承受高應(yīng)力碾碎式磨料磨損，主要用于制作Φ50～Φ90 mm的鋼球，適用于球磨機(jī)和部分直徑偏小的半自磨機(jī)。C-Si-Mn-Cr類在C-Mn類基礎(chǔ)上降低了碳含量，增加了Si和Cr元素，提高淬透性的同時(shí)抑制脆性碳化物FeC的析出，較C-Mn-Cr-Mo類提高了沖擊韌性，硬度＞57 HRC，沖擊韌性＞10 J，可以承受一定的鑿削式磨料磨損，主要用于制作Φ120～Φ150 mm的鋼球，適用于直徑較大的半自磨機(jī)。

3 耐磨鋼鐵材料用于選礦行業(yè)的制約因素

選礦行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展要求投入更高效的半自磨機(jī)，半自磨機(jī)的效率與其直徑和耐磨鋼球的綜合性能息息相關(guān)。因此要求在增大半自磨機(jī)直徑的同時(shí)，既增加耐磨鋼球的沖擊韌性，又不降低其耐磨性能。

現(xiàn)應(yīng)用廣泛的低合金耐磨材料的根本設(shè)計(jì)路線是通過添加Cr、Mn元素來擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，增加材料的淬透性，通過淬火獲得大量的板條馬氏體組織，進(jìn)而獲得高硬度和優(yōu)良的耐磨性。這種以位錯(cuò)強(qiáng)化為主的板條馬氏體組織，原生的塑性、沖擊韌性較差，無法抵抗高應(yīng)力沖擊，尤其是在濕磨環(huán)境下，高位錯(cuò)組織會(huì)導(dǎo)致氫致開裂。在此基礎(chǔ)上添加Mo元素能夠抑制低溫回火脆性，添加Si元素能夠抑制珠光體形成，提高薄膜狀殘余奧氏體的穩(wěn)定性，改善材料裂紋敏感性，提升沖擊韌性。這些措施僅能改善板條馬氏體組織較差的沖擊韌性，無法顯著提高其抗沖擊能力。隨著更高效、直徑更大的半自磨機(jī)逐漸投產(chǎn)，現(xiàn)有的低合金耐磨鋼球難以承受更高沖擊應(yīng)力的高應(yīng)力碾碎式磨料磨損，在應(yīng)用時(shí)常出現(xiàn)開裂破碎等質(zhì)量問題，如圖6所示，嚴(yán)重影響磨礦效率和礦耗水平，已經(jīng)成為選礦行業(yè)進(jìn)一步提質(zhì)增效的限制因素。

圖6 國(guó)內(nèi)某礦Φ150 mm磨球破碎現(xiàn)象Fig.6 Picture of Crushed Wear-resistant Ball with Φ150 mm in a Domestic Mine

4 新型耐磨鋼球材料的研究與開發(fā)

針對(duì)現(xiàn)有材料耐磨性和沖擊韌性不能兼顧的矛盾，本文提出了短流程工藝生產(chǎn)不同尺度硬質(zhì)相粒子協(xié)同作用的高強(qiáng)韌型貝氏體耐磨材料和引入Q&P工藝制備高韌塑性馬氏體耐磨材料兩種新型耐磨鋼設(shè)計(jì)思路，希望能夠起到拋磚引玉的作用。

4.1 新型貝氏體耐磨鋼

北京科技大學(xué)于浩教授團(tuán)隊(duì)在低合金貝氏體耐磨鋼基礎(chǔ)上，通過在高強(qiáng)韌基體中引入不同尺度的第二相顆粒，其中納米級(jí)硬質(zhì)相粒子，一方面細(xì)化晶粒，另一方面沉淀強(qiáng)化，以此來進(jìn)一步保證材料的硬度和強(qiáng)度，達(dá)到與馬氏體組織相當(dāng)?shù)乃剑晃龀龅奈⒚壮叨攘Ｗ觼砀纳撇牧系哪湍バ?，兩者協(xié)同作用既增加了材料的硬度又提高了材料的耐磨性。普通耐磨鋼和第二相強(qiáng)化耐磨鋼磨損對(duì)比示意圖見圖 7，如圖 7（b）、（c）所示，在強(qiáng)作用力下，不同尺度硬質(zhì)相粒子協(xié)同作用的高強(qiáng)韌型貝氏體耐磨鋼表現(xiàn)出優(yōu)良的耐磨性。

圖7 普通耐磨鋼和第二相強(qiáng)化耐磨鋼磨損示意圖Fig.7 Wear Diagram for Traditional Wear-resistant Steel and Second Phase Strengthening Wear-resistant Steel

該團(tuán)隊(duì)提出的短流程工藝生產(chǎn)不同尺度硬質(zhì)相粒子協(xié)同作用的高強(qiáng)韌型貝氏體耐磨鋼關(guān)鍵技術(shù)路線如圖8所示。首先利用鍛后溫度直接水冷控制相變，不但可以省掉鍛后再加熱步驟，節(jié)約成本、提高生產(chǎn)效率，而且鍛后變形奧氏體中高密度的位錯(cuò)及缺陷可以促進(jìn)中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物貝氏體的精細(xì)化形成及納米相的析出。當(dāng)溫度冷至貝氏體相區(qū)后放進(jìn)鹽浴爐中進(jìn)行等溫處理 （生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可以放入緩冷坑內(nèi)保溫，無需再加熱保溫），完成奧氏體→貝氏體的連續(xù)轉(zhuǎn)變，使相變發(fā)生的更完全。在此階段由于C、Mn元素向未轉(zhuǎn)變奧氏體中配分，提高了殘余奧氏體穩(wěn)定性，可以保留至室溫存在。同時(shí)，可以促進(jìn)析出相的進(jìn)一步析出以提高材料的性能。保溫4 h后空冷，即可作為成品進(jìn)行銷售。實(shí)施該技術(shù)路線后得到的新型貝氏體耐磨鋼金相組織和析出物見圖9所示。

圖8 貝氏體耐磨鋼關(guān)鍵技術(shù)路線圖Fig.8 Key Technology Roadmap of Bainite Wear-resistant Steel

圖9 新型貝氏體耐磨鋼金相組織和析出物Fig.9 Microstructure and Precipitates of a New Type of Bainite Wear-resistant Steel

新型貝氏體耐磨鋼在“碳達(dá)峰、碳中和”新形勢(shì)下具有顯著優(yōu)勢(shì)，不同于低合金馬氏體鋼球需要進(jìn)行二次回火，新型貝氏體耐磨鋼球的生產(chǎn)工藝采用鍛后直接快速冷卻+低溫保溫工藝，一火成材獲得納米級(jí)貝氏體板條組織。以貝氏體為主，含有少量馬氏體，在貝氏體板條間分布有薄膜狀殘余奧氏體，并有彌散分布的納米級(jí)析出物。鋼球表面硬度63 HRC，內(nèi)部硬度不低于57 HRC，平均沖擊韌性（無缺口）大于70 J。相比傳統(tǒng)低合金耐磨鋼，實(shí)現(xiàn)了在不降低耐磨性的同時(shí)顯著提高了沖擊韌性，在更大直徑半自磨機(jī)內(nèi)的應(yīng)用有廣闊的市場(chǎng)前景。

4.2 Q&P馬氏體耐磨鋼

Q&P工藝是馬氏體型鋼熱處理的新工藝——“Q-P”（quenching and partitioning process） 工藝（淬火與碳配分工藝），由美國(guó)Colorada州礦校的Speer等提出，將高碳和中碳含硅鋼進(jìn)行淬火后，再在Ms以上的一定溫度進(jìn)行等溫，使碳由馬氏體分配至殘余奧氏體，從而獲得由馬氏體和殘余奧氏體兩相構(gòu)成的室溫組織，得到了較高的強(qiáng)度和塑性及韌性的匹配。將Q&P工藝引入到耐磨鋼生產(chǎn)過程是一條可行的新型耐磨鋼設(shè)計(jì)思路，以價(jià)格低廉的合金體系（成分為Fe-C-Mn-Si），通過熱力學(xué)/動(dòng)力學(xué)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)，制定淬火與碳配分溫度和時(shí)間，運(yùn)用Q&P工藝實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高韌性的有機(jī)匹配。

該團(tuán)隊(duì)曾小批量試制了一批Q&P馬氏體耐磨鋼，采用MLD-10型沖擊磨損試驗(yàn)機(jī)與高錳耐磨鋼Mn13Cr2進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。在高沖擊載荷下，Q&P馬氏體耐磨鋼的磨損量相比Mn13Cr2要低50%左右。Q&P馬氏體耐磨鋼磨損形式為裂紋擴(kuò)展控制的斷裂（剝落），以及微量的微觀切削形成“犁溝”。Mn13Cr2磨損形式整體為犁削式磨損。這是因?yàn)镼&P鋼硬度、強(qiáng)度高，磨粒在外力的作用下難以刺入摩擦表面，僅在局部較軟的殘奧區(qū)域進(jìn)行剪切和切削直接造成材料去除，形成一次切屑。而Mn13Cr2本身較軟，即便充分加工硬化，其表面硬度仍顯不足，經(jīng)多次犁皺變形產(chǎn)生磨屑，形成二次切屑，整體磨損嚴(yán)重。

沖擊磨損對(duì)比試驗(yàn)表明，Q&P馬氏體耐磨鋼能夠承受比以抗沖擊韌性著稱的高錳耐磨鋼Mn13Cr2更高的沖擊應(yīng)力作用，在獲得馬氏體組織耐磨性的同時(shí)顯著提高了沖擊韌性，在半自磨機(jī)上將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)語

20世紀(jì)國(guó)內(nèi)選礦作業(yè)主要采用小口徑球磨機(jī)破碎礦石，以高鉻鑄鐵耐磨鋼球作為主要磨損介質(zhì)，其在礦石破碎方面效率較低。2000年之后，國(guó)內(nèi)逐漸引進(jìn)國(guó)外的半自磨機(jī)設(shè)備和技術(shù)，極大地提高了選礦效率，低合金耐磨鋼以優(yōu)良的耐磨性和較好的沖擊韌性，成為破碎、磨削礦石任務(wù)的主要材料。但是隨著高質(zhì)量發(fā)展的逐步推進(jìn)，更大直徑的半自磨機(jī)逐漸投產(chǎn)，現(xiàn)有的低合金耐磨材料已經(jīng)不能兼顧耐磨性和沖擊韌性，成為行業(yè)發(fā)展的限制因素。

因此，亟需開發(fā)兼具優(yōu)異耐磨性及抗沖擊韌性的高品質(zhì)耐磨鋼鐵材料，以滿足行業(yè)發(fā)展的需求。此外，在“碳達(dá)峰、碳中和”新形勢(shì)下，同時(shí)隨著綠色冶金觀念的不斷深入普及，發(fā)展低碳環(huán)保、綠色、節(jié)能、高性能和長(zhǎng)壽命的鋼鐵耐磨材料越來越迫切和受到重視。所以，新型高性能耐磨鋼鐵材料的研發(fā)，不但可以突破當(dāng)前行業(yè)的發(fā)展困境，而且還可以加強(qiáng)我國(guó)對(duì)基礎(chǔ)材料領(lǐng)域探索，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常顯著。而諸如短流程工藝生產(chǎn)不同尺度硬質(zhì)相粒子協(xié)同作用的高強(qiáng)韌型貝氏體耐磨材料和引入Q&P工藝制備高韌塑性馬氏體耐磨材料兩種新型耐磨鋼設(shè)計(jì)思路契合上述理念，符合社會(huì)和科技發(fā)展的趨勢(shì)和潮流，必將有廣闊的市場(chǎng)前景。