先进抗磨材料：抗磨合金铸钢的特性、成分与性能

第4章　抗磨合金铸钢

抗磨合金钢是一类用于磨损工况的特殊性能钢，其主要特征是在磨损条件下具有较高的强度、硬度、韧性和耐磨性。随着我国经济和科技的高速发展，近二十年来我国耐磨合金钢的研究、开发、制造和应用获得了长足发展和可喜的成绩。

抗磨合金钢以化学成分元素含量的多少分为三类：第一类低合金钢，合金元素总含量不超过5%；第二类中合金钢，合金元素含量在5～10%；第三类，高合金钢，合金元素总量超过10%。各种合金元素在钢中的作用见表4-1。

表4-1　合金元素在钢中的作用

续表4-1

续表4-1

注：1.各元素的脱氧能力由强到弱的次序为［当ω（Me）＝0.1%时］：Ca、RE、Mg、Al、Ti、B、Si、C、P、Nb、V、Mn、Cr（Fe、W、Ni、Cu）；

2.Cr、Mo、W、V、Ti等元素在适当条件下形成特殊碳化物能大大提高钢的耐磨性，在一般情况下其作用程度按顺序递增。碳化物弥散分布抗磨性好。在硬度相当情况下，碳化物量越多则相对耐磨性越好。一般来说晶粒细化总伴随着耐磨性的改善。在较硬磨料或在较高接触载荷下，组织中一定量的残余奥氏体有利于改善耐磨性，过量则有害；在较软磨料或低接触载荷下，残余奥氏体将加剧磨损。

4.1　低合金耐磨钢

含有合金元素总量不超过5%的合金钢为低合金钢。耐磨低合金钢具有良好的耐磨性和强韧性综合力学性能，成本较低。常用的合金元素为Cr、Mo、Si、Mn、Ni、RE等。主要用作矿山机械、水泥机械、电力机械、化工机械、农业机械、工程机械、水轮机、泥浆泵等的耐磨零部件，如球磨机用衬板、筛板，破碎用锤头锤柄，水轮机转轮等。

下面列举典型耐磨低合金钢的材料和耐磨性研究与应用数据。

1.25CrMo

25CrMo钢的化学成分见表4-2，力学性能见表4-3，热处理工艺见表4-4。

表4-2　25CrMo钢的化学成分

表4-3　25CrMo钢的力学性能

注：①αKU—梅氏U型缺口标准冲击试样值，以下表示同。

表4-4　25CrMo钢的热处理工艺

在双金属复合铸造锤头时，头部选用高铬铸铁，柄部则可选用25CrMo的化学成分，以适用同一热处理工艺。

2.GCr15

GCr15钢的化学成分见表4-5，不同热处理工艺的力学性能见表4-6，热处理工艺参数见表 4-7所示，淬火并低温回火后金相组织为回火马氏体＋细粒状碳化物＋少量残余奥氏体。

表4-5　GCr15钢的化学成分

表4-6　不同热处理工艺的力学性能

表4-7　热处理工艺参数

注：①φ35～50mm钢球；②＜φ35mm滚子；③＜φ20mm套圈。

GCr15钢制造内燃机、电机车、机床、拖拉机、坦克、轧钢机设备、钻探机、铁道车辆、矿山通用机械和高速旋转的、高负荷的机械转动轴上的钢球、滚子和轴套以及矿山水泥、电力行业的球磨机磨球（现在已很少使用该材质了）。在淮海水泥厂引进的罗马尼亚φ5m球磨机内φ70、φ80等磨球系用GCr15钢锻制。

3.ZG31CrMnSiNiMoCuRE

（1）化学成分

化学成分见表 4-8。

表4-8　ZG31CrMnSiNiMoCuRE钢的化学成分

（2）力学性能

力学性能见表 4-9。

表4-9　ZG31CrMnSiNiMoCuRE钢的力学性能

（3）耐磨耐蚀性

ZG31CrMnSiNiMoCuRE耐磨耐蚀钢的动载冲击磨损试验，选用的磨料为0.900～0.450mm（20～40目）硅砂，冲击吸收功选择1J。每组试验磨三根试样，每根试样磨30min，试样磨损前先预磨20min，然后正式磨损，称量试样失重。试验结果见表 4-10。

表4-10　耐磨耐蚀钢与高锰钢的冲击磨损试验结果

耐腐蚀磨损性试验选用pH值为5～6的磨料＋水砂浆，磨料采用0.450～0.224mm（40/70目）硅砂，砂浆的水砂重量比为4∶3，每组试样两根，每组试样磨360h，每24h测其失重。耐腐蚀磨损性能试验结果见表 4-11。由表 4-11知，其耐腐蚀磨损系数高于稀土中锰钢，更高于高锰钢。

表4-11　耐腐蚀磨损性能

（4）热处理工艺与金相组织

热处理工艺为1000～1050℃淬火＋200℃回火。金相组织为高密度位错型板条马氏体＋少量片状马氏体。

（5）工业性对比试验效果

ZG31CrMnSiNiMoCuRE钢生产的球磨机衬板在钼矿和铁矿进行装机试验，从试验结果可知，高锰钢衬板在钼矿和铁矿弱酸性湿磨条件下的使用时间分别为5～6个月和7～8个月，而ZG31CrMnSiNiMoCuRE钢衬板在相同条件下使用寿命为18个月和20个月，为高锰钢的3倍左右。可见，该钢衬板在弱酸性湿磨条件下具有良好的抗腐蚀磨损性能，是矿山湿磨条件下的优良材料。

其它，如ZG31Mn2Si低合金钢金相组织是低碳马氏体，具有高强度、高硬度以及一定的冲击韧性并有较低的冷脆转变温度，该钢抗变形能力强、不断裂，耐磨性相当或稍高于高锰钢，适合于代替高锰钢制做拖拉机履带板；ZG30CrMnSiMoTi钢衬板，经1000℃保温3h炉冷至850℃保温2h水淬＋250℃回火3h后，在铁矿选矿厂φ3.2m球磨机装机试验表明，ZG30CrMnSiMoTi钢衬板的使用寿命高于高锰钢衬板。ZG30CrMnSiMoTi钢衬板的生产工艺简单、成本低、耐磨性好，可适用于制造球磨机衬板与结构件。

4.2　中合金耐磨钢

合金元素总量在5%～10%之间为中合金钢。耐磨中合金钢是适用中小冲击磨料磨损工况条件下的一类材料。热处理可采用空气冷却淬火、油冷淬火、喷雾冷却淬火等多种形式，工艺简单、操作方便。显微组织以马氏体为主，钢的强韧性很好，屈服强度高，硬度较高，在使用中有抗断裂、不变形、耐磨损的特点。在水泥厂、发电厂、铁矿、金矿、铜矿、石墨矿做球磨机衬板、锤式破碎机锤头、反击式破碎机板锤、掘进机盘形滚刀刀圈等取得良好的使用效果与技术经济效益。典型的耐磨中合金钢材料成分、组织、性能等列举如下。

1.ZG35Cr4WMOV钢

（1）化学成分

ZG35Cr4WMoV钢的化学成分见表4-12。

表4-12　ZG35Cr4WMoV钢的化学成分

（2）力学性能与金相组织

ZG35Cr4WMoV钢的硬度为HRC45～48，冲击韧性αKU＝28～31J/cm2。金相组织为回火马氏体＋粒状碳化物。

（3）工艺特点

热处理工艺为淬火加热温度940～1060℃，保温2h，空冷；回火加热温度490℃，保温24h，空冷。

ZG35Cr4WMoV钢回火后的硬度，抗拉强度、延伸率、冲击韧性与ZG1Cr13 和KmTBCr26进行对比，结果见表4-13。

表4-13　ZG35Cr4WMoV钢的力学性能

（4）工业性对比试验效果

热油泵过流器件用ZG35Cr4WMoV钢制造的两台油浆泵在石化公司生产现场使用，泵的工作寿命为20～21个月，在高温热油工作状态下不破裂。而用ZG1Cr13使用寿命为仅为3～4个月，其使用寿命提高4倍以上。

2.ZG50Cr5MnMoRE钢

（1）化学成分

ZG50Cr5MnMoRE钢的化学成分见表4-14。

表4-14　ZG50Cr5MnMoRE钢的化学成分

（2）力学性能与金相组织

ZG50Cr5MnMoRE钢的力学性能与金相组织：材料硬度HRC≥45；韧性αKn≥20J/cm2；材料抗拉强度σb＝1　350MPa。金相组织为回火马氏氏体＋弥散二次碳化物＋少量残余奥氏体。

（3）工业性对比试验效果

在宜宾发电总厂2＃炉甲磨和1＃炉乙磨分别安装了两整套ZG50Cr5MnMoRE钢衬板，进行工业性对比试验。在运行到2　928、5　930和12　450小时时，拆下进行厚度和重量检查，在不同的运行时间ZG50Cr5MnMoRE钢衬板每块失重在0.6～0.7kg/kh，厚度减薄0.35～0.45mm/kh，高锰钢衬板失重1.2～1.5kg/kh，厚度减薄0.7mm/kh左右，ZG50Cr5MnMoRE钢耐磨性比高锰钢提高0.9倍。

3.ZG70Cr8MoVRE钢(www.xing528.com)

（1）化学成分

ZG70Cr8MoVRE钢的化学成分见表4-15。

表4-15　ZG70Cr8MoVRE钢的化学成分

（2）力学性能与金相组织

ZG70Cr8MoVRE钢的力学性能与金相组织：材料硬度为HRC50—53，冲击韧性αKU＝31J/cm2。金相组织为回火马氏体＋粒状碳化物。

（3）工艺特点

热处理工艺为淬火加热温度980℃，保温2～4h（根据衬板厚度），空冷；回火加热温度450℃，保温12h，空冷。

（4）工业性对比试验效果

火电厂磨煤机用ZG70Cr8MoVRE钢制造无螺栓衬板，在大唐西安灞桥热电公司和西安西郊热电厂生产现场使用，耐磨性比高锰钢提高2.5～3倍。上述两单位磨煤机衬板采用的高锰钢材质，使用寿命为19～22个月，改用ZG70Cr8MoVRE耐磨钢材质后，其使用寿命达6年左右（70个月）。

图 4-1是耐磨中合金钢材质生产的磨煤机用无螺栓衬板实物图片，图 4-2是耐磨中合金钢材质生产的水泥厂破碎用锤头实物图片。

图4-1　磨煤机用耐磨中合金钢无螺栓衬板

图4-2　矿山破碎用耐磨中合金钢锤头

4.3　高合金耐磨钢

合金元素总含量大于10%为高合金钢。高锰钢（ZGMn13）是最早用于高冲击磨损工况下的高合金钢，由于其韧性高，安全性好，且在冲击磨损过程中材料表面会产生加工硬化现象，具有较好的抗磨性，因而在国内外均有较长的应用历史，并且仍然拥有一定的应用市场。除此之外的耐磨高合金钢主要用于磨料磨损、高速摩擦磨损、腐蚀磨损、高温磨损等工况。用于大型球磨机衬板如湿法球磨机衬板，高速线材轧机辊环及导辊，以及火电厂锅炉喷燃器火嘴，水泥厂回转窑出料管、冷却机篦板及钢铁厂导位板等。

1.高锰钢（ZGMn13）

标准型的Mn13高锰钢又名Hadfield钢。

（1）化学成分

根据碳含量的不同，我国高锰钢有以下5种化学成分，见表4-16。

表4-16　我国高锰钢铸件的化学成分（质量分数，%）

注：ZGMn13系铸造高锰钢，“-”后阿拉伯数字表示品种代号。

（2）高锰钢的热处理（水韧处理）与金相组织

熔炼高锰钢须采用电炉（电弧炉或感应电炉等），而且电炉炉衬应为碱性炉衬以防止高锰钢液与炉衬发生化学反应。采用碱性电弧炉氧化法熔炼高锰钢，可通过炉内的氧化还原反应减少高锰钢液中的P、S含量，从而保证高锰钢的冶金质量。采用碱性电弧炉不氧化法及感应电炉熔炼高锰钢，用电较少，生产效率较高，但由于没有氧化期，不能有效地脱磷，炉料须采用精料，即应选择P、S含量较低的废钢和锰铁。

铸态高锰钢组织是以奥氏体为基体，晶内和晶界有大量的块状、条状及针状碳化物，晶界上碳化物呈网状（如图 4-3（a））。铸态高锰钢强度、塑性和韧性均很低，几乎无实际工程应用价值。

为了提高高锰钢的强度、塑性和韧性，促其具有工程应用价值，通常对高锰钢做固溶热处理——水韧处理，即将钢经高温奥氏体化加热（1050～1100℃），并保温适当时间，使铸态高锰钢中沿晶界分布的网状碳化物固溶于单相奥氏体中，随后将钢淬入30℃以下的水中，使钢快速冷却得到过冷的稳定的奥氏体组织。

高锰钢经水韧处理后，理想的显微组织是单一奥氏体（如图 4-3（b）），或奥氏体加少量碳化物，因此该钢具有良好的塑性和韧性，而且裂纹扩展速率很低，使用中安全可靠。该钢的另一主要特点是，在较大的冲击载荷或接触应力的作用下，表面层迅速产生加工硬化，表面硬度急剧升高，因此具有良好的耐磨性；而内部仍保 持良好的韧性，能承受冲击载荷而不断裂。

图4-3　高锰钢的铸态组织与水韧处理后显微组织×400

（3）力学性能

高锰钢铸件的力学性能如表4-17，通过添加铬、钼等合金元素可提高高锰钢的屈服强度。

表4-17　我国高锰钢铸件的力学性能

金属在低于再结晶温度时产生塑性变形而引起材料强度和硬度提高的现象，称为加工硬化或应变硬化。加工硬化是奥氏体锰钢的主要特性，高锰钢在强烈的冲击磨损条件下，硬度大幅度提高，许多工况使用的高锰钢件加工硬化硬度达到40～48HRC，甚至有的零件表面加工硬化硬度高达55HRC。正是因为加工硬化特性，高锰钢才表现出高的耐磨性能。

高锰钢加工硬化的机理主要包括以下两个方面：

①相变机制。即大冲击、多冲击下，奥氏体应变诱发马氏体相变及碳化物沿滑移面析出，材料的表面明显硬化；

②高冲击、变载荷下形成大量的位错、孪晶变形、镶嵌缺陷及晶粒细化等造成的加工硬化作用。

大多数情况下，加工硬化是上述两种机制共同作用的结果。

（4）高锰钢的耐磨性与应用

高锰钢特别适用于冲击磨料磨损和高应力碾碎磨料磨损工况，常用于制造球磨机衬板，锤式破碎机锤头，颚式破碎机颚板，圆锥式破碎机轧臼壁和破碎壁，旋回式破碎机衬板，挖掘机斗齿，铁道道岔，拖拉机和坦克的履带板等抗冲击、抗磨损的零部件。表4-18为圆锥破碎机衬板使用寿命对比，添加适量合金（如Cr、V）等，能显著提高高锰钢的耐磨性，表 4-19是加钒钛合金的高锰钢齿板成分及相对寿命。

表4-18　圆锥破碎机衬板使用寿命对比

表4　19　钒钛高锰钢齿板成分及相对寿命

2.ZG55Cr25Ni3MoRE钢

（1）化学成分

ZG55Cr25Ni3MoRE钢的化学成分见表4-20。

表4-20　ZG55Cr25Ni3MoRE钢的化学成分

（2）力学性能与金相组织

σb为655Mpa，αKU为19J/cm2。铸态金相组织为奥氏体＋铁素体。

（3）工艺特性

出钢温度1600～1620℃，浇注温度1570℃～1590℃。ZG55Cr25Ni3MoRE钢制做火电厂锅炉喷燃火嘴力学性能见表4-21。

表4-21　ZG55Cr25Ni3MoRE钢的力学性能

（4）工业性对比试验

用ZG55Cr25Ni3MoRE钢制做喷燃器火嘴在包头第二热电厂410t/h锅炉运行16　000h以上，使用寿命比1Cr18Ni9Ti不锈钢板组焊火嘴提高5倍。在丰镇发电厂670t/h锅炉运行11　000多小时。工业试验效果表明耐高温性能好，抗高温磨损性能好，适应1200℃长期服役条件，火嘴无变形，烧损少。且材质可焊性好，抗冷热疲劳性好，无开裂现象。

3.ZG180W6Cr4Mo5V3A1RE钢

（1）化学成分

这是一种高速钢，化学成分见表4-22。

表4-22　ZG180W6Cr4Mo5V3A1RE钢的化学成分

（2）力学性能与金相组织

该高速钢硬度HRC≥63，韧性αKn≥15J/cm2。金相组织为回火马氏体＋碳化物＋残余奥氏体。

（3）工艺特性

出钢温度为1580～1620℃，浇注温度1450～1480℃。辊环离心铸造工艺参数见表4-23。辊环外径280mm，内径160mm，高120mm。

辊环的退火处理工艺为880℃～920℃×（3～4h），炉冷至750℃～780℃保温2～4h，炉冷至500℃出炉空冷。退火后辊环硬度230～260HBS，辊环粗加工后进行淬火和回火处理，然后进行精加工。辊环淬火温度在1180～1240℃，冷却方式采用喷雾冷却。

辊环的硬度与高铬铸铁辊环的硬度对比见表4-24，ZG180W6Cr4Mo5V3A1RE钢辊环的硬度比高铬铸铁辊环高，辊环表面硬度大于，辊面硬度差小于2HRC，距辊环表面30mm处的硬度值也维持在HRC61～63以上，具有良好的淬硬性和淬透性。同时测试了冲击韧性，可见ZG180W6Cr4Mo5V3A1RE辊环的冲击韧性是高铬铸铁辊环的2倍以上。

表4-23　辊环离心铸造工艺参数

表4-24　ZG180W6Cr4Mo5V3A1RE辊环与高铬铸铁辊力学性能对比

（4）工业性对比试验效果

ZG180W6Cr4Mo5V3A1RE钢辊环在高速线材厂预精轧锻轧机进行了生产试验，效果为：每生产1　000t钢约磨损辊环0.28～0.36mm，轧制后轧槽表面光滑、磨损均匀、耐磨性好，各项指标均接近硬质合金辊环，但价格仅为其1/4～1/5。使用寿命比合金铸铁辊环提高6～10倍，可显著提高轧机作业率，降低工人劳动强度，具有较好的经济效益。