高龙永

（山东钢铁集团日照有限公司， 山东 日照 276800）

随着各行各业的快速发展，我国各类耐磨钢需求量已达到50～70 万t/ 年，产品类别主要集中在HB360-500 级别，产品厚度大多集中在～100 mm[1]。

目前，耐磨钢产品主要由Hardox、EVERHARD 和XAR 垄断。国内耐磨钢板大多依据GB/T 24186—2009《工程机械用高强度耐磨钢》标准设计，缺乏针对不同应用领域的个性化产品开发，与国外品牌差距较大。钢的化学成分和微观组织决定着产品的最终性能，而化学成分及工艺过程又决定着钢的微观组织。因此，钢的成分设计对于多用途耐磨钢的研发尤为重要。

1 耐磨钢失效机理分析

耐磨钢失效是由于硬材料在钢板表面相对运动或冲击作用造成。耐磨钢实际服役过程中会受到冲击磨损、低应力滑动磨损、高应力三体冲击磨损和刨削磨损等复杂力作用；同时还伴随着高温、潮湿和腐蚀等环境因素影响。因此，耐磨钢在硬度、热处理性能、焊接性能、抗腐蚀性能等方面都有特殊要求。

2 耐磨钢中主要合金元素的作用

2.1 碳元素的作用

碳是影响耐磨钢强度、硬度、韧性及淬透性的重要元素，也是影响显微组织最为重要的元素。随着含碳量增加，钢的硬度增加，冲击韧性显著下降，耐磨性逐渐提高。含碳量过高，钢中碳化物量过多，热处理后形成高碳片状马氏体，钢的硬度高而韧性低，且热处理容易开裂；含碳量过低，钢件淬硬性不足，硬度过低，耐磨性不足。

2.2 硅元素的作用

硅可提高耐磨钢的耐磨性能。但硅含量过高将显著降低钢的塑性、韧性和延展性。另外，Si 使耐磨钢组织呈带状，导致横向性能低于纵向性能；硅过量还会出现块状铁素体，使耐磨钢韧性降低并易产生淬火裂纹，残余奥氏体显著增加，硬度降低。

2.3 锰元素的作用

锰提高耐磨钢的硬度和强度，强烈增加淬透性，淬火后易得到马氏体组织。但锰是过热敏感性元素，淬火时加热温度过高，会引起晶粒粗大；锰在凝固时偏析系数较大，很容易在晶界偏聚，对性能产生不利影响，并会导致钢淬火组织中残余奥氏体量增加。

2.4 铬元素的作用

铬提高耐磨钢的高温强度、硬度和耐磨性能。但同时也增加钢的回火脆性倾向。

2.5 镍元素的作用

镍可提高耐磨钢的淬透性，以提高韧性。在耐磨钢中，Cr/Ni 元素复合添加可显著提高钢的淬透性，能够保证钢板芯部具有足够高的硬度。

2.6 钼元素的作用

钼提高耐磨钢的淬透性。对于厚规格低合金耐磨钢，提高钢中钼元素含量，可以提高钢板厚度方向的硬度均匀性[2]。

2.7 钛元素的作用

钛可细化耐磨钢晶粒、改善韧性。在高温溶入奥氏体时，增加淬透性；以碳化物形态存在时，降低淬透性；耐磨钢加入钛，还增加回火稳定性，产生二次硬化效果[3]。

2.8 硼元素的作用

微量硼可提高钢耐磨钢的淬透性，在Mn 配合下获得空冷贝氏体组织。

2.9 铌元素的作用

铌能有效提高耐磨钢的强度和韧性。

2.10 铝元素的作用

铝耐耐磨钢中起到细化晶粒、提高晶粒粗化温度作用。

3 耐磨钢合金元素对淬透性的影响

在C 和Mn 元素含量不变情况下，提高钢中Si（+0.2%）、Cr（+0.4%）、Ni（+0.2%）、Mo（+0.15%）元素含量（质量分数）后，耐磨钢淬透性大幅度增加，淬透性斜率K 值由657.23 提高到1 312.30。

因此，对厚钢板而言，为确保钢板厚度方向获得均匀的马氏体组织，保证钢板厚度方向强度、硬度的均匀性，可以通过提高耐磨钢中Cr、Ni、Mo 等合金元素含量来实现。

4 耐磨钢合金元素对力学性能的影响

采用材料性能模拟软件JMatPro 对低合金耐磨钢力学性能进行计算分析，研究不同合金元素组合和配比对耐磨钢力学性能的影响。考虑到生产实际情况，计算过程中奥氏体化温度为920 ℃，保温时间15 min，奥氏体晶粒度为ASTM7.7 级。

4.1 对淬火态20 mm 耐磨钢板力学性能的影响

碳元素对提高钢板表面硬度具有显著的作用。Mn 元素对表面硬度影响不大，但可以减小厚度方向上的硬度衰减。

Mn、Cr、Mo 三种合金元素对20 mm 厚度淬火态钢板的力学性能的影响较大。Cr 可以同时提高钢板的表面硬度和厚度方向的硬度；Mo 的作用是提高钢板厚度方向硬度，对表面硬度影响比较小。

4.2 对淬火态40 mm 耐磨钢板力学性能的影响

钢板表面硬度主要取决于碳含量，Mn 和Cr 元素对钢板芯部硬度和强度起到显著影响。在合适的Mn和Cr 元素含量条件下，少量Mo 元素可以较为明显的提高钢板的芯部硬度和强度。该成分体系下，当C 含量降低，Mn 逐渐升高，质量分数0.1%的Mo 元素对芯部硬度和强度的提升作用逐渐降低。

碳含量增加后，钢的表面硬度（HV）升高至440～460。为通过提高Mn 含量，配合适量的Cr 元素，仅需少量Mo 元素便可以明显提高钢板的芯部硬度和强度；Si 元素降低后，耐磨钢硬度强度升高。对于钢板厚度方向，低Si 含量钢板的芯部硬度和强度下降更快一些。

Mn 含量不变条件下，单独添加Cr 元素，可以获得略高的表面硬度和强度，但芯部硬度和强度下降更快，硬度均均匀性最差。复合添加Cr、Mo 合金时，Cr、Mo 含量比值降低，钢板的表面硬度逐渐降低，而厚度方向的上硬度均匀性逐渐改善。Mo 元素则可以提高钢板厚度方向上的硬度均匀性。

4.3 对淬火态70 mm 耐磨钢板力学性能的影响

对于70 mm 厚度钢板，为提高钢板力学性能，获得良好的低温韧性，钢中在添加Cr、Mo 合金的基础上，同时添加适量的Ni 元素。Ni 元素对钢板的表面硬度的影响比较微小，主要体现在对钢板厚度方向上硬度的影响。

Cr、Ni、Mo 含量不变，提高Mn 含量可以同时提高表面硬度和厚度方向的硬度；Mn、Ni、Mo 含量不变，提高Cr 含量在提高表面硬度的同时，还可以改进厚度方向的硬度均匀性。提高Cr、Mo 的合金含量比值，可以显著提高钢板的表面硬度。因此，通过调配钢中Mn、Cr、Ni、Mo 合金含量及其配比，可以设计出不同服役工况情况下的耐磨钢。

5 耐磨钢所用行业与厂家

在以上研究基础上，优化设计了360、400、450、500 级耐磨钢，年产量目前已达到20 000 t 左右，相关产品已成功应用到工程机械、矿山机械、煤炭机械、港口机械等行业，是中车集团、中煤张家口煤机、山西矿机、徐工、三一重工、卡特彼勒、利勃海尔等知名企业的稳定供应商，其中徐工神州第一挖700 t XE7000E液压挖掘机、蒙古最大金铜矿OyuTolgoi 矿山地下矿等重点项目的优先选用产品。

6 结论

1）合金元素对淬透性指数影响由大到小的顺序依次为C、Mo、Si、Mn、Cr、Ni。在适当增加Mo 和Ni 条件下，钢中C 对钢板淬透性提高效果明显。

2）钢板表面硬度主要取决于C、Cr 含量。Cr 作用与C 元素相似，对提高表面硬度更为有利。Ni、Mo 的作用是提高钢板厚度方向上的硬度，对表面硬度的影响比较小。Mn 元素可以同时提高钢板表面硬度和厚度方向硬度；提高Mn 和Cr 元素含量可以改进厚度方向的硬度衰减。在合适的Mn 和Cr 元素含量条件下，少量的Mo 元素可以较为明显的提高钢板的芯部硬度。当m（Cr）/m（Mo）降低时，Mo 元素对厚度方向硬度提升效果减弱。

3）Cr、Mo 含量及其含量比值对表面硬度和厚度方向硬度具有重要影响。单独添加Cr 元素时，表面硬度相对较高，厚度方向硬度衰减较快。复合添加Cr、Mo合金时，随着m（Cr）/m（Mo）的降低，表面硬度逐渐降低，厚度方向硬度均匀性逐渐改善。m（Cr）/m（Mo）提高，显著钢板表面硬度提高。

4）通过复合添加合金元素并调配合金含量可以调控耐磨钢的力学性能。合理设计C、Mn、Cr 可以有效减少Ni 和Mo 的贵重合金含量而又不降低力学性能。

5）在以上理论基础指导下设计的耐磨钢系列，成功打开了国内耐磨钢市场，替代了部分进口产品，取得了良好的经济效益和社会效益。