新型高强耐磨铸钢（NMZ1）

随着我国乃至全世界对海洋资源的不断探索和开发，高强钢以其不可替代的优良性能成为全世界研究的重点领域之一。为开发出适用于海洋深度开发的优质钢种，兼顾其强韧性、耐磨蚀性和可焊性要求，研究人员研制了低碳、高硅含量的新型高强耐磨铸钢（NMZ1）并优化了热处理工艺。尽管目前有关Cr-Si-Mn-Mo系无碳化物贝氏体钢的研究甚少，鉴于铬合金化所取得的防腐效果，它是一类可能兼具耐磨与耐蚀特性的优良材料，有望在石油管线、舰船、大型结构件及海洋设施等方面获得广泛的应用。因此，研究人员以易获得无碳化物贝氏体的Cr-Si-Mn-Mo系钢为基础，适当调节碳含量及其他合金元素含量，并加入一些抗腐蚀元素搭配以及稀土变质处理，开发了新型NMZ1耐磨钢。

新型NMZ1耐磨钢化学成分见表8-5，其特点是含碳量低、硅含量高，主添加元素为Cr、Si、Mn、Mo、Al、Ni等。高Si、Al等非碳化物形成元素含量，以抑制碳化物析出，得到无碳化物贝氏体组织。铬作为主加元素，是因为其与铁能形成连续固溶体，在奥氏体中溶解度较大，强化基体，提高基体的强度和硬度。另外，铬在回火时能阻止或减缓碳化物的析出与集聚，使碳化物得到较大的分散度，也有利于韧性的提高。锰与钼可使贝氏体转变区与珠光体转变区分离，使钢在较大冷速范围内，稳定地得到贝氏体组织，并配合其他合金元素提高材料淬透性以及固溶强化基体，提高钢的力学性能。另外，Cr-Al、Mn-Nb、Ni-Mo-Cr等元素复合添加对提高抗腐蚀性能有利。

表8-5　NMZ1钢的化学成分（质量分数）　%

图8-4　NMZ1钢1000℃奥氏体化保温后分级淬火的显微形貌(www.xing528.com)

图8-4为NMZ1耐磨钢经1000℃奥氏体化、油淬至350℃、保温1.5h后空冷所得到的室温金相组织和SEM图片。显微分析结果表明，高硅含量抑制了碳化物的析出，复合添加Cr、Al、Mn、Ni、Fe元素的低碳合金钢，经分级淬火处理后，室温组织为均匀细密的针状贝氏体和马氏体混合组织。机械性能试验结果表明，该低碳钢硬度、拉伸强度和冲击韧性均较高，综合机械性能良好（其硬度达到37.5HRC，拉伸强度提高至1000MPa，常温冲击韧性亦明显改善，是原始铸态的3倍）。其强韧化是钢中微合金化元素（Ni、Mo等）通过细晶强化、析出强化和位错强化协调所致，由于合金元素添加量远小于其他海洋用钢，既降低成本又提高了焊接性。

NMZ1钢耐冲击腐蚀磨损性能良好，当石英砂加水（石英砂粒度为20目，与水的体积比为4∶3，调节pH值约为3）介质中、正压力为70N时，磨程12km对应的磨损量为0.81g，即磨损速度为65mg/km。瑞典学者Ann Sundström等研究了在冲击磨损条件下几种低合金钢的磨损行为，其含碳量为0.061%～0.2%，磨料为12～20mm大小的花岗岩，硬度700HV左右，冲击功约0.1J，磨损时间60min，换算成磨程为1.357km，磨损量为351～539mg，即磨损速度为258～397mg/km。其中含碳量为0.17%的低合金钢与NMZ1钢碳含量相近，该钢种在该条件下的磨损量为395mg，即磨损速度为265mg/km。由此可见，NMZ1钢在冲击腐蚀磨损方面耐磨性能优势明显。

耐海水腐蚀性是评价海洋用钢性能的一个重要指标，因此选取航空母舰、大型浮动船坞等军事设施及海洋石油开采浮式生产系统、半潜式钻井平台建设常用钢材系泊链钢（22MnCrNiMo）作为对比材料，通过电化学方法研究了NMZ1钢在模拟海水（3.5%NaCl）溶液的电化学腐蚀行为。图8-5为NMZ1钢在3.5%NaCl溶液中浸泡不同时间后奈奎斯特图。研究结果表明，显微组织中存在的残余奥氏体与下贝氏体使得NMZ1钢在腐蚀初始阶段发生选择性腐蚀，腐蚀速率较大，腐蚀电流密度为0.674mA/cm2，电荷迁移电阻值为265Ω/cm2，NMZ1钢耐蚀性不如系泊链钢。浸泡腐蚀28天后NMZ1钢腐蚀电流密度和电荷迁移电阻均与系泊链钢接近，表面锈层电阻达到177.4Ω/cm2，腐蚀产物致密覆盖在试样表面，对基体具有保护作用，NMZ1钢耐蚀性提高，与系泊链钢相近。由于NMZ1钢在长期海洋腐蚀条件下耐蚀性与系泊链钢相近，且NMZ1钢本身具有良好的耐磨性，故而在海洋工程领域具有广泛的应用前景。

图8-5　试样在3.5wt%NaCl溶液中浸泡不同时间后奈奎斯特图