耐磨鋼鐵材料在選礦行業(yè)的應用及發(fā)展趨勢

于浩 ， 宋邦民 ，2

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

耐磨鋼鐵材料作為裝備制造的基礎材料，在礦山選礦領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石進行破碎和研磨，是選礦作業(yè)能否高質(zhì)、高效的關鍵所在。國內(nèi)早期的選礦設備以小口徑球磨機為主，耐磨鋼球主要要求高耐磨性。近20年來，國內(nèi)不斷引進高質(zhì)、高效的半自磨機等新設備、新技術，半自磨機內(nèi)的作業(yè)工況對耐磨材料的韌性要求越來越高，20世紀80、90年代國內(nèi)研究較多的高鉻鑄鐵等耐磨材料已不能滿足應用要求，為此，選礦行業(yè)同步引進了國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，國內(nèi)相關研究的報導較少，因此有必要對選礦領域的耐磨材料、服役工況、失效機理等方面進行梳理和總結，以便于研究、攻克相關的限制問題。

本文對選礦作業(yè)材料失效方式、工藝裝備的工況條件、應用于該行業(yè)的耐磨鋼鐵材料等方面的相關文獻進行了分析和總結。針對行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢，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)設備服役工況及材料失效機理

1.1 選礦作業(yè)設備行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀30年代，美國制造了世界上第一臺濕式自磨機，利用礦石自身的重量和硬度相互碰撞、相互研磨，將塊礦進行破碎，顯著提高了工業(yè)選礦的效率。60年代，將自磨機改良為半自磨機，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，進一步提高了效率。此后，半自磨機在秘魯、澳大利亞、美國、愛爾蘭等國外各大礦山上得到了普遍的應用。2000年以前，國內(nèi)主要選礦廠——銅陵有色、江西銅業(yè)、中國黃金等主要使用添加高耐磨鑄鐵球的自磨機，2000年開始引進半自磨機技術和設備。

隨著新技術、新裝備的應用和發(fā)展，磨損成為選礦領域設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域中開始嶄露頭角，耐磨鋼鐵材料的大規(guī)模推廣及應用使其成為選礦企業(yè)磨損量最大的損耗材料。

耐磨鋼球是球磨機中最常用、消耗量最大的研磨體，以煤礦、礦山、水泥行業(yè)應用最多。國內(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用于直徑較大的自磨機和半自磨機，但隨著半自磨機的直徑不斷增大，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)的主要設備是磨機，分為半自磨機和球磨機，分別如圖1、圖2所示。國內(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）→粗磨（球磨機）→精磨。目前，國外半自磨機的直徑普遍大于10 m，國內(nèi)2000年左右引進的半自磨機普遍為8～10 m，2010年以后引進較大直徑半自磨機，直徑最大達到13.97 m。

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

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

在磨機內(nèi)，塊礦與耐磨鋼球按照一定比例（約75∶15）混裝，電機驅(qū)動磨機高速旋轉，塊礦和耐磨鋼球一起被帶動上升，達到一定高度時被“拋落”，與底部的礦石和磨球相互碰撞，隨后重新被帶動上升。如此，塊礦和磨球一同做著“升起-下落”、“摩擦-碰撞”的往復循環(huán)運動，直至礦塊粉碎到目標直徑的顆粒，被篩出后進入下一道工序。

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：當做抬升運動時，兩者之間因自身重量而緊密接觸，相互滑動，硬度高的鋼球?qū)τ捕鹊偷牡V石進行研磨；當做拋落運動時，兩者由高空落地時與底部礦石相互碰撞，在強有力的沖擊力下破碎礦石。

半自磨機與球磨機都需要添加磨球，借助磨球?qū)ΦV石的物理作用進行磨損。兩者的主要區(qū)別是半自磨機的直徑大、長度短、轉速高、鋼球運動速度快、落差大、沖擊力強，主要用來對原礦石進行破碎；而球磨機的直徑偏小、長度較長、轉速低、鋼球運動速度慢、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，一般會在磨機內(nèi)加水，俗稱濕磨。濕磨環(huán)境會導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。磨損是一種復雜的動態(tài)過程，承受劇烈的力學作用，發(fā)生物理化學變化，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90年代，研究人員在研究磨損機理時統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在工業(yè)領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 磨料磨損機理

磨料磨損是材料硬顆粒與凸起物相對摩擦時，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，與此相對應的磨損機理有三種。

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

（1）微觀切削磨損機理。在外力的作用下，硬磨粒以一定的角度接觸材料表面時，垂直于材料表面的法向力使磨粒刺入摩擦表面，切應力使磨粒向前滑動，從而在材料表面形成犁溝，如圖3（a）所示。此時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，則磨粒就會像刀具一樣，對表面進行剪切和切削，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）造成的疲勞磨損機理。對于塑性較好的材料，如果磨粒的棱角較鈍，當切入角小于臨界值時，磨?；^材料表面時，只能把材料推擠到犁溝的兩側和前緣，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，這時犁溝被稱之為犁皺。當再次受到磨粒的作用時，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）裂紋擴展控制的斷裂（剝落）磨損機理。對于脆性材料，斷裂磨損機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，當磨粒的壓痕深度超過臨界壓痕深度時，壓痕底部的接觸壓力促使材料生成裂紋并向周圍擴展。當平行于表面的裂紋互相交叉或擴展到表面時，材料表面就會有微粒剝落，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)生轉變，隨著材料硬度的增加和斷裂韌性的降低，磨料磨損機理的轉變順序為：塑變（犁皺或沖擊）造成的疲勞磨損、微觀切削磨損和裂紋擴展控制的斷裂（剝落）磨損。此外，在特定實際工況條件下，材料的磨損往往是以一種磨損機理為主，幾種磨損機理復合作用的結果。

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力的大小，磨料磨損又分為低應力擦傷式磨料磨損、高應力碾碎式磨料磨損和鑿削式磨料磨損。選礦作業(yè)不同工裝設備表現(xiàn)出差異很大的作用應力，適用這種分類方法來進行分類。

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

高應力碾碎式磨料磨損。其特征是接觸應力高，磨料受到工件表面的擠壓和摩擦，局部的接觸應力非常高，超過了磨料的壓碎強度，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，如球磨機的磨球、襯板，礦石粉碎機的顎板和滾式破碎機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。在半自磨機旋轉抬升時，礦石和磨球之間接觸松散，相對滑動，接觸應力較低，其磨損行為主要為低應力擦傷式磨料磨損。當?shù)V石和磨球跌落時，因為巨大的落差，底部的礦石受到耐磨鋼球劇烈的碰撞沖擊作用而破碎，此時磨損行為主要為鑿削式磨料磨損?？傮w而言，半自磨機的直徑較大，磨球的質(zhì)量較重，鑿削式磨料磨損占據(jù)主導地位。

球磨機的直徑為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，高應力碾碎式磨料磨損占據(jù)主導地位。整體而言，球磨機的磨損行為主要為高應力碾碎式磨料磨損，低應力擦傷式磨料磨損次之。

精磨機的直徑小于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，此時的磨損行為主要為低應力擦傷式磨料磨損。

2 耐磨鋼鐵材料在選礦行業(yè)的應用現(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)中得到廣泛應用，下面予以重點介紹。

2.1 高錳鋼

高錳鋼是1882年由英國冶金學家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，在高應力、強沖擊的工況下便表現(xiàn)出良好的耐磨性能。典型牌號為ZGMn13，主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)） 為 C 1.0%～1.4%、Mn 11.0%～14.0%、Si 0.3%～1.0%。目前，我國國家標準中共有奧氏體錳鋼10個牌號，對應國際ISO標準的9個牌號，具體化學成分參見 GB/T 5680-2010，各牌號的高錳鋼化學成分是在 ZGMn13 的基礎上，調(diào)整 Cr、Mo、Ni、W合金元素的含量，來改善合金性能，以適應具體的應用工況。

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，需對高錳鋼進行固溶處理，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度、塑性和韌性均得到大幅度提高，該熱處理技術被稱為水韌處理，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

在受到強烈沖擊摩擦或鑿削時，高錳鋼組織會發(fā)生相變，形成大范圍的堆垛層錯、孿晶以及平面位錯結構，表層硬度會從180～220 HB提高至500～550 HB，而心部仍然保持良好的韌性。這種極強的加工硬化能力由其變形強化機制所決定，主要硬化機理有形變誘發(fā)馬氏體相變硬化、孿晶硬化、位錯硬化、動態(tài)應變時效硬化、Fe-Mn-C原子團硬化等，往往由上述多種機制復合調(diào)控。

對于高錳鋼而言，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變速率和大的局部應變量，是提供材料孿晶變形的外部因素。這一點與半自磨機、球磨機的使用環(huán)境契合，因此高錳鋼是半自磨機、球磨機內(nèi)部襯板的首選材料。近年來隨著半自磨機的直徑不斷增大，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€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30年代先后在美國和英國試制成功，但是由于冶煉技術不成熟，直到20世紀60年代電爐冶煉廣泛應用以后，高鉻鑄鐵才得到較大發(fā)展。典型高鉻鑄鐵的牌號有Cr12、Cr15Mo、Cr26等，尤其是由美國的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。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，而被譽為當代最優(yōu)良的抗磨損材料之一。同樣因為合金元素鉻含量高，鑄造時容易產(chǎn)生偏析，冷卻時在晶間析出碳化物，需要進行高溫固溶處理，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，在低應力擦傷式磨料磨損中表現(xiàn)優(yōu)異，20世紀80、90年代在國內(nèi)耐磨鋼球領域得到了廣泛深入的研究和應用。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。 在國家標準 GB/T 17445-2009《鑄造磨球》中的典型牌號有 ZQCr26、ZQCr15和ZQCr12，主要用于直徑小于4 m的球磨機內(nèi)。由于近年來球磨機的直徑普遍提高到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引進，作為耗材同步引進國內(nèi)大量應用的。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，國內(nèi)儲量較多，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20～40 J，可在較大范圍內(nèi)控制硬度和韌性的匹配關系，在各類磨料磨損工況下均可獲得較好的耐磨性，因此成為承擔半自磨機和球磨機高應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，在此基礎上，清華大學通過提高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90年代，清華大學方鴻生教授聯(lián)合國內(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，硬度能達到50～60 HRC，沖擊韌性大于10 J，在直徑3 m以下的球磨機上得到了很好的應用。

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，能達到57～64 HRC，無缺口沖擊韌性能達到10 J左右，在自磨機和半自磨機上得到大量應用。2020年磨球行業(yè)主要企業(yè)在北京擬定行業(yè)標準，將國內(nèi)外常用的馬氏體耐磨鋼根據(jù)合金成分進行劃分，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成分如表1所示。

表1 低合金耐磨鋼球用鋼的化學成分（質(zhì)量分數(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，適合承受低應力擦傷式磨料磨損，主要用于小于Φ50 mm的鋼球，應用于精磨機內(nèi)。C-Mn-Cr-Mo類在C-Mn類基礎上添加了Cr以提高淬透性，添加Mo元素析出復雜碳化物進行沉淀強化，可以承受高應力碾碎式磨料磨損，主要用于制作Φ50～Φ90 mm的鋼球，適用于球磨機和部分直徑偏小的半自磨機。C-Si-Mn-Cr類在C-Mn類基礎上降低了碳含量，增加了Si和Cr元素，提高淬透性的同時抑制脆性碳化物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。

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，半自磨機的效率與其直徑和耐磨鋼球的綜合性能息息相關。因此要求在增大半自磨機直徑的同時，既增加耐磨鋼球的沖擊韌性，又不降低其耐磨性能。

現(xiàn)應用廣泛的低合金耐磨材料的根本設計路線是通過添加Cr、Mn元素來擴大奧氏體相區(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，進而獲得高硬度和優(yōu)良的耐磨性。這種以位錯強化為主的板條馬氏體組織，原生的塑性、沖擊韌性較差，無法抵抗高應力沖擊，尤其是在濕磨環(huán)境下，高位錯組織會導致氫致開裂。在此基礎上添加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力的高應力碾碎式磨料磨損，在應用時常出現(xiàn)開裂破碎等質(zhì)量問題，如圖6所示，嚴重影響磨礦效率和礦耗水平，已經(jīng)成為選礦行業(yè)進一步提質(zhì)增效的限制因素。

圖6 國內(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計思路，希望能夠起到拋磚引玉的作用。

4.1 新型貝氏體耐磨鋼

北京科技大學于浩教授團隊在低合金貝氏體耐磨鋼基礎上，通過在高強韌基體中引入不同尺度的第二相顆粒，其中納米級硬質(zhì)相粒子，一方面細化晶粒，另一方面沉淀強化，以此來進一步保證材料的硬度和強度，達到與馬氏體組織相當?shù)乃?；析出的微米尺度粒子來改善材料的耐磨性，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化耐磨鋼磨損對比示意圖見圖 7，如圖 7（b）、（c）所示，在強作用力下，不同尺度硬質(zhì)相粒子協(xié)同作用的高強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

該團隊提出的短流程工藝生產(chǎn)不同尺度硬質(zhì)相粒子協(xié)同作用的高強韌型貝氏體耐磨鋼關鍵技術路線如圖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及缺陷可以促進中溫轉變產(chǎn)物貝氏體的精細化形成及納米相的析出。當溫度冷至貝氏體相區(qū)后放進鹽浴爐中進行等溫處理 （生產(chǎn)現(xiàn)場可以放入緩冷坑內(nèi)保溫，無需再加熱保溫），完成奧氏體→貝氏體的連續(xù)轉變，使相變發(fā)生的更完全。在此階段由于C、Mn元素向未轉變奧氏體中配分，提高了殘余奧氏體穩(wěn)定性，可以保留至室溫存在。同時，可以促進析出相的進一步析出以提高材料的性能。保溫4 h后空冷，即可作為成品進行銷售。實施該技術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 貝氏體耐磨鋼關鍵技術路線圖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“碳達峰、碳中和”新形勢下具有顯著優(yōu)勢，不同于低合金馬氏體鋼球需要進行二次回火，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，實現(xiàn)了在不降低耐磨性的同時顯著提高了沖擊韌性，在更大直徑半自磨機內(nèi)的應用有廣闊的市場前景。

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Colorada州礦校的Speer等提出，將高碳和中碳含硅鋼進行淬火后，再在Ms以上的一定溫度進行等溫，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成的室溫組織，得到了較高的強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計思路，以價格低廉的合金體系（成分為Fe-C-Mn-Si），通過熱力學/動力學計算與實驗，制定淬火與碳配分溫度和時間，運用Q&P工藝實現(xiàn)高強度和高韌性的有機匹配。

該團隊曾小批量試制了一批Q&P馬氏體耐磨鋼，采用MLD-10型沖擊磨損試驗機與高錳耐磨鋼Mn13Cr2進行對比試驗。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。這是因為Q&P鋼硬度、強度高，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，整體磨損嚴重。

沖擊磨損對比試驗表明，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更高的沖擊應力作用，在獲得馬氏體組織耐磨性的同時顯著提高了沖擊韌性，在半自磨機上將會有更廣闊的應用前景。

5 結語

20世紀國內(nèi)選礦作業(yè)主要采用小口徑球磨機破碎礦石，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，國內(nèi)逐漸引進國外的半自磨機設備和技術，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、磨削礦石任務的主要材料。但是隨著高質(zhì)量發(fā)展的逐步推進，更大直徑的半自磨機逐漸投產(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“碳達峰、碳中和”新形勢下，同時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)，不但可以突破當前行業(yè)的發(fā)展困境，而且還可以加強我國對基礎材料領域探索，經(jīng)濟效益和社會效益非常顯著。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計思路契合上述理念，符合社會和科技發(fā)展的趨勢和潮流，必將有廣闊的市場前景。