机械工程材料：耐磨钢

抵抗磨料磨损的钢。这类钢还没有成为一个完全独立的钢种﹐其中公认的耐磨钢是高锰钢。也有人将轴承钢﹑石墨化钢或其他适当的钢作为耐磨钢使用。

高锰钢 高锰钢是抗冲击磨损的典型耐磨钢﹐1882年英国人R.A.哈德菲尔德首先制成﹐故又称哈德菲尔德钢。它含有约1.2%的碳和13%的锰﹐经1000～1050℃的水中淬火处理后能获得全部的奥氏体组织﹐因此也称奥氏体高锰钢。它具有很好的韧性和很强的加工硬化倾向﹐在冲击条件下显示出优越的耐磨性。高锰钢主要用於制作颚式破碎机齿板﹑挖掘机斗齿和铁路道岔等。

其他耐磨钢 在机械工程中根据使用条件和工艺要求的不同。常选用其他适当的钢种来作为耐磨钢使用。主要的有4类。

低合金高强度钢﹕这类钢的含碳量较低﹐可焊性好﹐可通过正火或淬火─回火﹐达到适当的硬度和一定的抵抗磨料磨损的能力。主要用於制造矿用载重车的翻斗﹐输矿槽和洗煤设备等。

中碳钢和中碳合金钢﹕这类钢经热处理后具有高的强度和较好的耐磨性﹐可用於制造犁铧﹑松土器﹑推土机上的易磨损零件等。

高碳钢和合金工具钢﹕这类钢经热处理后可获得高的耐磨性﹐可用於制造受冲击载荷不大的零件﹐如耙片﹑收割机刀片﹑磨煤机磨辊或球磨机的磨球等。

中铬钢和高铬钢﹕这类钢中含有铬﹑耐腐蚀﹐因此适於制造在水中或在一定腐蚀条件下的耐磨料磨损的易损零件﹐如泥浆泵和水轮机中的易磨损零件等。2100433B

耐磨钢简史

耐磨钢作为一种专用钢大约始于十九世纪后半叶。1883年英国人哈德菲尔德（R0.A0.Hadfield）首先取得了高锰钢的专利，至今已有100多年的历史，高锰钢是一种碳含量和锰含量较高的耐磨钢，这个具有百余年历史的古老钢种，由于它在大的冲击磨料磨损条件下使用时具有很强的加工硬化能力，同时兼有良好的韧性和塑性，以及生产工艺易于掌握等优点，因此，它仍然是耐磨钢中用量最大的一种（尤其是在矿山等部门）。近几十年来，低、中合金耐磨钢的开发与应用发展很快，由于这些钢具有较好的耐磨性和韧性，生产工艺较简单，综合经济性合理，在许多工况条件下适用，受到用户的欢迎。为了适应矿山采运机械与工程机械发展的需要，所研制的高硬度耐磨钢板，20世纪70～80年代在国际上已形成系列并标准化。这类钢是在低合金高强度可焊接钢的基础上发展起来的，它们一般采用轧后直接淬火并回火，或实行控轧、控冷工艺进行强化，可节约能源，且合金元素含量低，价格较便宜，但硬度高，耐磨，工艺性能尚可，由于具有了这些优点使这类耐磨钢板很受用户欢迎。日、英、美等国的一些钢铁公司都生产这类耐磨钢。

耐磨钢分类

耐磨钢种类繁多，大体上可分为高锰钢，中、低合金耐磨钢，铬钼硅锰钢，耐气蚀钢，耐磨蚀钢以及特殊耐磨钢等。一些通用的合金钢如不锈钢、轴承钢、合金工具钢及合金结构钢等也都在特定的条件下作为耐磨钢使用，由于它们来源方便，性能优良，故在耐磨钢的使用中也占有一定的比例。

耐磨钢化学成分

中、低合金耐磨钢这类钢中通常所含的化学元素有硅、锰、铬、钼、钒、钨、镍、钛、硼、铜、稀土等。美国很多大中型球磨机的衬板都用铬钼硅锰或铬钼钢制造。而美国的大多数磨球都用中、高碳的铬钼钢制造。在较高温度（例如200～500℃）的磨料磨损条件下工作的工件或由于摩擦热使表面经受较高温度的工件，可采用铬钼钒、铬钼钒镍或铬钼钒钨等合金耐磨钢，这类钢淬火后，经中温或高温回火时，有二次硬化效应。

耐磨钢应用

耐磨钢广泛用于矿山机械、煤炭采运、工程机械、农业机械、建材、电力机械、铁路运输等部门。例如，球磨机的钢球、衬板、挖掘机的斗齿、铲斗，各种破碎机的轧臼壁、齿板、锤头，拖拉机和坦克的履带板、风扇磨机的打击板，铁路辙叉，煤矿刮板输送机用的中部槽中板、槽帮、圆环链，推土机用铲刀、铲齿，大型电动轮车斗用衬板，石油和露天铁矿穿孔用牙轮钻头等等，以上所列举的还主要限于属于经受磨料磨损的耐磨钢的应用，而各种各样的机械中凡是有相对运动的工件问，皆会产生各种类型的磨损，都会有提高工件材料耐磨性的要求或要求采用耐磨钢，这方面的例子则不胜枚举。矿石和水泥磨机中使用的研磨介质（球、棒和衬板）是消耗量很大的钢铁磨损件。在美国，磨球大多数是用碳素钢和合金钢锻造或铸造的，它们占磨球总消耗量的97%。在加拿大，消耗的磨球中钢球占81%。据80年代末统计，中国每年消耗磨球约80～100万t，全国磨机衬板的年消耗量近20万t，这其中绝大多数为钢制品。中国煤矿用刮板输送机中部槽每年要消耗6～8万t钢板。

耐磨钢生产工艺

耐磨钢都是用电炉或转炉冶炼的，产品以铸件为多，近年来，锻、轧等热加工材正在增多。在一般机械中使用的耐磨钢件的生产方法与其他工件并没有太大的区别，只是在热处理工艺或表面处理工艺方面应有所要求，以达到保证耐磨性的需求。对于那些材质冶金纯净度显著影响耐磨性的钢件应采取精炼措施，并对有害杂质和气体提出限量要求。除基体外第二相的数量、形状和分布往往对钢件的耐磨性能有重大影响，此时需要从钢的化学成分设计、冶炼、热加工、热处理（含热机械处理）等等方面统筹考虑，以便从冶金因素方面力争达到提高耐磨性的要求。

耐磨钢强化技术

磨损是发生在工件表面的过程，因此，强化工件表面就显得十分重要。钢的表面强化技术有着悠久的历史，例如，渗碳技术至少可以追溯到两干多年前中国的汉朝，而一千多年前的中国史书中已有关于碳氮共渗工艺的记载。近几十年来，各种各样的表面强化技术与装备发展迅速，采取必要的表面强化及表面改性措施，不仅可以节约大量的原材料，而且可以赋予工件表面层以各种特殊的、作为整体材料难以得到的组织结构与性能，从而取得最优异的耐磨性能和巨大的经济效益。如今，表面强化技术已成为耐磨钢（包括耐磨材料）的研究与应用的一个重要发展方向。

耐磨钢工艺发展

近年来钢铁材料的表面强化（润化）技术发展很快，有关新技术、新工艺层出不穷，针对不同需要可以选择不同的表面强化技术来提高钢件在各种类型磨损条件下的耐磨性，以价格较低廉的基体材料制作工件取代昂贵的合金钢。渗碳、碳氮共渗、渗氮等工艺仍然是强化机械零件的主要措施，采用共渗、复合渗、渗硼、渗金属、喷焊、堆焊、气相沉积、电刷镀、离子注入等工艺在不同机件的各种工况条件下都取得了提高耐磨性的明显效果。此外，铸渗、复合铸造等铸造工艺在耐磨钢件的制造中也有应用。

耐磨钢轧制

普通低合金的耐磨钢，如18MnPRe(输煤槽体钢)、41Mn2SiRe(拖拉机履带钢)、55SiMnCuRe(推土机推刀刀刃钢)、65SiMnRe(犁铧钢)等的热轧同一般低合金钢，可以按用户要求，轧制成板材和型材。唯有高合金的耐磨钢，如在冲击载荷下发生冲击硬化的高锰钢(Mnl3、12%Mn一2%Cr、12%Mn一2%Mo等奥氏体耐高锰钢)属于难变形的耐磨钢，有其特殊的加工规律。这种钢机械加工困难，基本上都用于铸件，但也有轧成某种形状尺寸的轧材作某些特殊用途，如生产中空钎钢(见中空钢轧制)用的高锰钢芯材(棒钢)。由于这种钢含锰量高，钢锭铸态组织的柱状晶发达，偏析比较严重，变形抗力大，导热性差(仅为普碳钢的1/3～1/4)，线.膨胀系数大，过热敏感性强，塑性差，所以热轧中要注意掌握如下的加工规律：

(1)掌握好加热速度与加热温度。要缓慢加热，700℃前，加热速度不大于70℃/h，防止热应力大而产生开裂。保证足够的加热时间和保温时间，以获得均匀及塑性良好的单相奥氏体。加热温度过高，晶粒会严重长大，降低钢的可轧性及成材后的力学性能；加热温度过低，钢的塑性不良，易于轧裂。几种高锰钢芯材钢的加热及轧制温度规范如表所示。加热要均匀，各面温差不得超过20～30℃。还必须尽量保证炉内呈还原性或中性气氛，减少脱碳，防止表面产生硬而脆的低碳高锰钢.

高锰钢芯材钢的加热及轧制温度规范

锭或坯 装炉温度/℃ 加热温度/℃加热时间/min保温时间/min 开轧温度/℃ 终轧温度/℃

120方锭 ≤650 1080～1130 170 40 1050～1100 950

60方坯 ≤750 1060～1110 110 10 1040～1080 950

(2)注意孔型设计，变形要均匀，但头几道次的变形量要比普碳钢和一般低合金钢的小。轧制时应逐道翻钢90。。轧制速度不能太高，开坯机轧辊的线速度不大于3m/s。轧制成材后，用热锯切成定尺并进行矫直.

高锰钢开坯轧裂的原因不外两方面：一是钢锭质量不佳，如钢中磷含量偏高，出钢温度过高，钢锭冷却缓慢，使得晶界磷化物、碳化物及其夹杂物聚集或钢锭缩孔严重，都会降低可轧性；二是轧制条件不当，如加热速度过快，加热温度偏高或偏低，保温时间不足，开头几道变形量过大或轧制速度太快，都易出现轧裂.

耐磨钢棒有两种：一种是，热轧圆钢；另一种是调质热处理钢棒，热轧圆钢通过热处理获得的基体组织主要是贝氏体的耐磨钢棒；