专治磨损新良药-日新月异的特种钢

第二节　专治磨损新良药

既然磨损会带来这么大的损失，那么我们应当用什么方式来避免它呢？近几年来，通过科学家们的悉心研究，我们发现了专治磨损的一剂良药，那就是有着特殊用途的耐磨钢。我国的耐磨材料发展十分迅速，耐磨钢铁材料的研究和开发更是十分活跃。对于不同情况下造成的磨损，科学家们对症下药，开出了不同的药方。其中，高锰钢（图24）与耐磨低合金钢是具有优良性能耐磨钢的代表。

图24

高锰钢在耐磨钢中仍然占据比较重要的位置，这主要是由于在高冲击负荷下，高锰钢工件表层具有较强的加工硬化能力，同时，没有直接受冲击作用的工件心部仍保持其固有的高塑性和韧性。即使零件磨损到很薄，仍能继续承受较大的冲击载荷而不破裂。高锰钢在切削加工的过程中会发生加工硬化，因此只能用硬质合金的刀具进行切削加工，一般仅限于做铸件使用。高锰钢特别适合于制作承受较大冲击载荷的耐磨零件，如反击式或颚式破碎机的颚板、挖掘机的斗齿（图25、图26）、球磨机的衬板、锤式破碎机的锤头（图27）、坦克和拖拉机的履带板等（图28、图29、图30）

图25

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图27

图28

图29

图30

为了进一步提高锰钢的耐磨性和适应不同工况条件的需要，这类钢将在合金化、化学成分调整、生产工艺的改进与完善、工况条件的适应性等方面进行研制和开发。在化学成分调整方面，曾开发了高碳高锰钢用以提高它在低冲击磨损条件下的耐磨性。

在高锰钢的生产工艺方面，为提高钢的纯净度，已进行并将进一步开展的工作有炉外精练、吹氨、吹氮以及悬浮浇注、表面合金化、爆炸硬化、热处理工艺改进等等。关于高锰钢工件适应的工况条件及如何合理使用高锰钢的问题，人们认识已趋于一致，即高锰钢，特别是普通高锰钢的耐磨特性只有在高冲击负荷的工作条件下才能表现出来，在低冲击负荷或低应力磨料磨损的情况下，其耐磨性能则很难得到发挥。因此，不能再把高锰钢（普通的、标准型的）作为万能的耐磨材料滥用，否则将造成很大的浪费。随着工业的发展及科学研究工作的深入，人们已跳出了高锰钢的圈子，开始大量研制和生产低、中合金马氏体钢、贝氏体钢、镍硬铸铁、高箔铸铁及各种复合材料，在许多工况条件下，它们的使用寿命比高锰钢高，有的甚至高出几倍。在低和中等冲击材料磨损条件下，采用低、中合金耐磨钢无疑是一个重要的发展方向。这些钢利用多元合金强化得到马氏体或贝氏体组织，可以在较宽的范围内调整钢的硬度与韧性的匹配关系。我国的低、中合金耐磨钢是以中碳（或高碳）硅、锰或锗钢为基础加入合金元素发展起来的。 目前开发出来的这类钢号已有几十个，将逐渐形成系列，纳入标准，其应用前景十分广阔。

高箔铸铁，即所谓第三代耐磨材料，是目前国内外公认的耐磨性能最好的材料。它的特点是在马氏体（奥氏体）基体上镶嵌着硬度很高的碳化物，这种碳化物不以网状出现，因此，其韧性比一般白口铁要好。用这类材料制成的易磨件在许多工况条件下表现出很小的失效和很高的使用寿命。但是，由于它含有大量铬等稀缺元素，制造工艺要求严格，加之它本身固有的特性等，抑制了这种材料的大量推广使用。国内不少单位仍在谋求降低高铬铁成本、改善韧性等方面进行工作。

水韧处理后的高锰钢受到冲击载荷后，表面受到加工硬化，内部仍是高塑性的奥氏体。它兼具高硬度、耐磨损及高塑性，因而被广泛用于制造既耐磨损又耐冲击的零件。在铁路交通方面，高锰钢用于铁道上的辙岔（图31）、辙尖、转辙器及小半径转弯处的轨条等。高锰钢用于这些零件，不仅由于它具有良好的耐磨性，而且由于它材质坚韧，不容易突然折断。即使有损坏裂纹发生，由于加工硬化作用，也会抵抗裂纹的继续扩展，使裂纹扩展缓慢，容易被人发现。另外高锰钢在寒冷气候条件下还有良好的机械性能，不会冷脆，因此，高锰钢用于铁路交通方面，不仅使维护费用降低，而且还能消除由于零件损坏而产生的不幸事故。

图31

高锰钢长期用于制造挖掘机的铲斗、各式碎石机的颚板、衬板以及所有耐磨的零件。在碎石机械中，用高锰钢做颚板材料时，它的耐磨性非常优越。当颚板受到冲击压力，底表面层的硬度迅速提高，耐磨性增强，而且在磨损之后，新露出的表面又呈现同样高的硬度，一直使用到报废。高锰钢在受力变形时会吸收大量的能量，受到弹丸射击时也不易穿透，因此高锰钢也用于制造防弹板以及保险箱钢板等。高锰钢还大量用于挖掘机、拖拉机、坦克等的履带板、主动轮、从动轮和履带支承滚轮等。由于高锰钢是非磁性的，也可用于既耐磨损又抗磁化的零件，如吸料器的电磁铁罩。(www.xing528.com)

目前，在高锰钢研究方面取得了一系列新进展，主要有：采用合金化的方法，添加铬、钼引起固溶强化，加入钛形成碳化钛，可引起弥散强化，并能细化结晶组织，最终达到强化基体、提高其耐磨性和屈服强度的目的。实验表明，用这些方法加工出的用于冶金矿山的衬板，其使用寿命比高锰钢提高50%～70%。工艺方面，采用铸后利用余热淬化的手段来替代传统上使用加热再进行水韧处理的方法，不但能简化工艺，节约能源，缩短生产周期，而且经济效益显著。

在轧制工艺方面，用深度轧制的方法对高锰钢进行预变形表面硬化处理，结果发现，随形变量的增加，组织内位错及孪晶密度也随之增大，晶粒大大细化。这是因为深度冷轧的高锰钢表面形成的高密度位错及孪晶组织，改善了铸造高锰钢产生的各向异性、气孔等缺陷，能有效阻止磨粒造成的磨损表面的脆性剥落，同时，高锰钢良好的心部韧性也将减少其磨损过程中的疲劳剥落。该轧制方法对提高高锰钢使用效率及应用范围具有积极的现实意义。

变质中锰耐磨钢常常在磨损冲击功较小的情况下使用，中锰钢的耐磨性优于高锰钢。但在实际应用中，中锰钢在铸造和热处理的过程中易产生热裂，存在铸件的成品产生裂纹等缺陷。

近十几年来，在中锰耐磨钢研究方面，人们采用变质处理的方法，即向中锰钢中加入作为复合变质剂的铬、铌、镁和稀土等元素，来改善显微组织与碳化物的形态和分布，取得了良好的效果。这主要是因为复合变质剂的加入能显著地提高材料的力学性能和位错密度，如稀土可净化钢液，使钢中夹杂物数量减少。而铬、镁等能促进碳化物球化，增强稀土吸附及稀土夹杂物与碳化物的非均质晶核的作用，同时也能阻止夹杂物、碳化物进一步长大，使其组织明显细化，成分偏析减小，从而使变质中锰钢韧性得到明显改善，耐磨性能显著提高。在对中锰钢变质处理的基础上，朱瑞富等研究采用铸态水韧热处理工艺技术，即利用金属的铸造余热对奥氏体锰钢进行水韧处理，既有利于节约能源，缩短生产周期，降低生产成本，又可实现改善劳动条件，减少环境污染的目的。现国内已有多家企业采用该项研究成果，并取得了较大的经济和社会效益。

近年来，人们已开始着手对具有稳定奥氏体组织的超高锰钢进行研究，主要是想在普通高锰钢标准成分的基础上通过提高碳、锰含量来达到改善锰钢组织，提高耐磨性的目的。

针对高锰钢应用场合的局限性，结合工况条件及我国资源状况，科研人员研制出了多种耐磨合金钢。这些耐磨合金钢具有优良的强韧性、耐磨性和耐蚀性，且成本不高，适于制造各类耐磨铸件。根据耐磨合金钢中合金含量的不同可分为低合金耐磨钢、中合金耐磨钢和高合金耐磨钢。

低合金耐磨钢由于具有较高硬度和足够韧性等综合性能，作为耐磨材料已引起人们的广泛重视。研究人员通过调整成分与热处理工艺，能在较大范围内控制低合金耐磨钢硬度和韧性的合理匹配，使其满足不同磨损工况的需要。

国外从20世纪30年代开始着手研制低合金耐磨钢，并很快得到应用。例如美国研制的Cr—Mo—Ni—Mn—Si等低合金钢，就是在铸造过程中，向低合金钢中加入合金元素并采用新的热处理工艺技术使其综合性能在较宽的范围内得到调整，淬透截面深度达125毫米以上，热处理后硬度可达50HRC以上，冲击值可达到很高程度。

目前，我国在低合金马氏体耐磨钢研究方面有很大进展。低合金马氏体钢是采用铬、镍和钼等元素合金化，然后通过淬火与低温回火热处理，获得回火马氏体组织。许振明等在研究中发现，低合金马氏体钢中具有高硬度的高位错板条状马氏体，能够较好地抵抗磨损时裂纹的扩展，同奥氏体高锰钢相比，在中等冲击磨损条件下，该钢种具有明显的优越性，综合机械性能也较好，但缺憾之处在于，它主要靠马氏体基体硬度来抗磨，在高应力磨料磨损条件下，耐磨性提高不多，同时，其对化学成分控制和热处理工艺要求也较高。

近年来发展较快的高Co—Ni二次硬化马氏体，综合了低合金高强度钢和马氏体时效钢的特点，即韧性良好的Fe—Ni—Co马氏体和碳化物强化，获得良好的强韧性配合。通过提高碳、钴的含量，使材料的强度、韧性和耐磨性同时提高。通过在马氏体基体上引入第二相强化，来提高材料的综合性能是目前低合金马氏体耐磨钢的一个热点。但现在对于第二相的种类、形态、分布和大小的控制还不理想，有待进一步研究。

小百科

钢铁与坦克

第一次世界大战期间，交战双方为突破由堑壕、铁丝网、机枪火力点组成的防御阵地，打破阵地战的僵局，迫切需要研制一种火力、机动、防护三者有机结合的新式武器。英国人斯文顿从一起意外中提出了坦克的设想。1915年，英国政府采纳了他的建议，利用汽车、拖拉机、枪炮制造和冶金技术，试制了坦克的样车。1916年生产了“马克”Ⅰ型坦克，外廓呈菱形，刚性悬挂，车体两侧履带架上有突出的炮座，两条履带从顶上绕过车体，车后伸出一对转向轮。该坦克乘员8人，有“雄性”和“雌性”两种。“雄性”装有2门57毫米火炮和4挺机枪，“雌性”仅装5挺机枪。1916年9月15日，有60辆“马克”Ⅰ型坦克首次投入索姆河战役。当时为了保密，英国将这种新式武器说成是为前线送水的“水箱”（英文“tank” ）。结果这一名称被沿用至今，“坦克”就是这个单词的音译。这种称为“马克”Ⅰ型的坦克靠履带行走，能驰骋疆场、越障跨壕、不怕枪弹、无所阻挡，很快就突破了德军防线，从此开辟了陆军机械化的新时代。从那时起到现在，世界上已经制造了数十万辆坦克，成为各国陆军、海军陆战队和空降兵的主要作战武器，有“陆战之王”的美称。

坦克是钢铁时代的产物，随着现代科学的不断进步，新型合金材料不断应用于坦克的设计制造过程中，大大提高了坦克的火力、机动力和防护力。