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1、调质耐磨钢板焊接性及焊接接头组织与性能研究摘 要本文通过碳当量和冷裂纹敏感指数理论计算及热影响区最高硬度试验和斜Y型坡口焊接裂纹试验，分析了NM450调质耐磨钢板的焊接性，然后在此基础上选定焊接工艺参数，分别在室温和预热100 时采用混合气体保护焊对NM450耐磨钢板进行实际焊接试验。利用金相显微镜和扫描电镜对焊接接头的组织进行了分析；利用显微硬度计、冲击试验机和拉伸试验机对焊接接头进行了力学性能测定。研究表明，NM450耐磨钢具有一定的淬硬倾向，预热100 时热影响区最高硬度低于不预热时；斜Y坡口焊接试验时，均未出现表面裂纹和断面裂纹。实际焊接时，母材组织为板条状回火马氏体，焊缝为板条贝氏体
2、和铁素体组织，热影响区组织为马氏体和贝氏体。预热时，焊接接头平均硬度低于不预热时，焊接接头的冲击韧性和拉伸性能均高于不预热时。因此，对于NM450耐磨钢板，在预热条件下采用合适的焊接工艺可以获得良好的性能。关键词：耐磨钢，焊接接头，组织与性能，热影响区Study on the Weldability of the Quenched and Tempered Wear Plate, the Microstructure and Property of Welded JointsAbstractIn this paper, we analyzed the weldabilities of the
3、NM450 quenched and tempered wear plate by the methods of carbon equivalent, the cold crack sensitivity index, the highest hardness of HAZ test and the Y-slit Type Cracking Test. And then, selected welding parameters, use The Mixed Gas Protection Welding to welded the NM450 quenched and tempered wear
4、 plate at room temperature and 100 preheated. Analyzed the metallurgical structure of the welded joints by the metallographic microscope and scanning electron microscope tested the mechanical properties by microhardness tester, impact testing machine and tensile testing machine.Research shows that,
5、there are certain harden tendency of the NM450 quenched and tempered wear plate.At 100 preheated, the highest hardness of HAZ is lower than witch at room temperature. There are no surface cracks and section cracks whether preheated or not. After welding ,the structure of base metal are lath martensi
6、te, the structure of welds are lath bainite and ferrite, the structure of HAZ are bainite and martensite. The average hardness of welded joints at 100 preheated is lower than witch at room temperature, however, the impact toughness and tensile properties of welded joints at 100 preheated is higher t
7、han witch at room temperature.Therefore, proper preheating conditions and welding technology for the NM450 quenched and tempered wear plate to obtain the good performance is especially important.Key Words: wear resistant steel, welded joints, microstructure and property, HAZ目 录摘 要IAbstractII目 录III引言
8、11 文献综述21.1 国内外耐磨钢发展现状21.1.1 国内发展现状21.1.2 国外发展概况31.2 耐磨钢的分类41.2.1 奥氏体耐磨钢41.2.2 马氏体耐磨钢61.2.3 贝氏体耐磨钢81.3 耐磨材料的磨损性能与选用101.3.1 高强韧耐磨钢磨损性能的研究101.3.2 耐磨材料的选用101.4 耐磨钢焊接性问题121.4.1 焊缝强韧性匹配121.4.2 冷裂纹121.4.3 热裂纹及消除应力裂纹131.4.4 热影响区性能变化131.5 本文研究内容142 试验材料与方法152.1 试验材料152.2 试验方法152.2.1 热影响区最高硬度试验152.2.2 斜Y坡口对接
9、裂纹试验162.2.3 焊接工艺试验172.2.4 焊接接头金相试验182.2.5 焊接接头硬度试验182.2.6 冲击试验182.2.7 拉伸试验193 实验结果与分析203.1 NM450焊接性分析203.1.1 NM450焊接性理论分析203.1.2 热影响区最高硬度分析213.1.3 斜Y型坡口焊接裂纹试验实验结果与分析223.2 NM450焊接接头组织与性能分析243.2.1 焊接接头金相组织分析243.2.2 焊接接头硬度曲线分析293.2.3 焊接接头的冲击韧性313.2.4 焊接接头的拉伸性能33结 论35致 谢36参 考 文 献37附 录39引言耐磨钢作为一种专用钢大约始于十
10、九世纪后半叶。1883年英国人哈德菲尔德(R0.A0.Hadfield)首先取得了高锰钢的专利1，至今已有100多年的历史，高锰钢是一种碳含量和锰含量较高的耐磨钢，这个具有百余年历史的古老钢种，由于它在大的冲击磨料磨损条件下使用时具有很强的加工硬化能力，同时兼有良好的韧性和塑性，以及生产工艺易于掌握等优点，因此，目前它仍然是耐磨钢中用量最大的一种(尤其是在矿山等部门)。近几十年来，低、中合金耐磨钢的开发与应用发展很快，由于这些钢具有较好的耐磨性和韧性，生产工艺较简单，综合经济性合理，在许多工况条件下适用，而受到用户的欢迎。为了适应矿山采运机械与工程机械发展的需要，所研制的高硬度耐磨钢板，20世
11、纪7080年代在国际上已形成系列并标准化。NM450耐磨钢焊接结构件要求具有高强度、高耐磨性及足够的韧性以防止在较高的应力下发生脆断。本文利用混合气体保护焊对NM450的焊接性及焊接接头的组织与性能进行了研究，为该钢的实际生产应用提供了理论依据，对其他高强度耐磨钢的焊接有重大的参考意义。1 文献综述1.1 国内外耐磨钢发展现状1.1.1 国内发展现状近年来，我国耐磨钢领域的技术发展取得了长足进步，宝钢、武钢、鞍钢、舞钢、南钢等中厚板厂均能够生产布氏硬度400级以下的耐磨钢，尤其是我国先后从国外引进数条机械化自动化生产线，并发展了结合国情的新型工艺设备。同时，采用炉外精炼与连铸等炼钢工艺新技术，
12、使产品的内在质量、外观质量和使用性能都得到明显提高，金属消耗大幅度降低。一些厂家产品已达到或超过国际水平，出口到东南亚、日本、南非等地，如舞钢生产的硬度HB 360级的可焊接高强度结构用耐磨钢，所制造的设备适用于高磨损、高冲击的场合，也可作为屈服强度 700 MPa的高强度结构钢使用。在不损失强度的前提下，钢板具有良好的冲击韧性及焊接性能。但400 HB以上强度级别耐磨钢还主要依赖进口。随着国内一批高刚度厚板轧机投入生产，多条调质线的建设及设备改造，为生产更高强度级别调质耐磨钢提供了条件。可以预知，高强度耐磨钢市场竞争必将愈来愈激烈，我国耐磨钢领域的技术开发必将缩小与国外的差距。但是长期以来，
13、我国耐磨钢产品强度级别、性能与国外产品相比还有不小差距。国内高强度耐磨钢成分设计总体采用低碳、Mn、Si及Cr-Mo-V-B组合方式,大多以淬火或淬火+回火状态交货。钢板经淬火后获得板条马氏体和少量分布在板条间的残余奥氏体2。部分产品以热轧、控轧状态交货,获得贝氏体铁素体(BF)加残余奥氏体(AR)的复相组织。目前，国内主要钢厂生产的高强度耐磨钢产品质量基本上处于同一水平。武钢开发高强度耐磨钢板最早,设备较先进,产品以HB360级别为主，厚度范围为10-50 mm，成品性能较好。舞钢热处理手段齐全，成品板幅大，能够生产厚度8-80 mm、宽度1600-2500 mm的耐磨钢板。太钢高强度耐磨钢
14、板板形较好，不平度可控制在4 mm/m以内，达到进口耐磨板板形水平。鞍山钢铁集团公司与北京科技大学合作，成功进行了贝氏体-马氏体耐磨钢板的研究开发，并且对其组织及力学性能进行了深入研究，已经能够生产NM360，NM400级耐磨钢。另外，沈重开发研制了硬度达360 HB的NM360耐磨钢板，其性能指标基本达到国外同类产品水平3。国内高强度耐磨钢板的生产技术发展时间并不长，与开发历时近半个世纪的国外厂家相比，热处理工艺还不成熟，整体成分设计合金含量较高，通过合金元素强化基体的同时，必然造成了部分塑、韧性的损失。国外先进厂家则通过成熟的生产及热处理技术手段，获得均匀细小的组织，达到良好的强度和塑韧性
15、。2010年4月份，宝钢股份特钢事业部在热轧合金板带生产线上成功试制出一种高锰耐磨钢，填补了国内相关领域的空白。“宝钢自主集成的热轧合金板带生产线试生产8个月来，自主研制的新品层出不穷，迄今已生产出六大类12个牌号的高端产品，每月都有高端新品诞生为了开发特钢精品满足国家高精尖领域的用钢需求，宝钢在特钢事业部建设热轧合金板带生产线”。该生产线于2009年6月底投人试生产“由于设备采购采用点莱模式。设备来自不同的国家、地区和企业，给生产线调试、磨合以及新品验证等带来了巨大考验”。宝钢股份特钢事业部以又好又快原则成功试制出特殊不锈钢、低碳钢、双相钢、镍基合金、纯钦、耐磨钢等六类热轧合金板带新品；在形
16、成的17个牌号产品中，有12个为高端产品，规格己拓展至最薄7 mm，分品种己批量稳定地投放市场“迄今，有压力容器、电力电气、机械制造、石油化工等行业的近40家用户开始采购宝钢产品”4。近年来，针对设备磨损的具体工况和资源情况，我国研制出多种新型耐磨钢材料。主要有改性高锰钢、中锰钢、超高锰钢系列，高、中和低碳耐磨合金钢系列。在耐磨钢生产工艺设备方面，先后从国外引进数条机械化自动化生产线，并发展了结合国情的新型工艺设备。同时，采用炉外精炼与连铸等熔炼工艺新技术，使产品的内在质量、外观质量和性能都得到明显提高，金属消耗大幅度降低，一些厂家产品已达到或超过国际水平，并出口到东南亚、日本、南非、美国、澳
17、大利亚等地5，取得了良好的经济效益。1.1.2 国外发展概况瑞典SSAB和SWEBOR、德国蒂森克虏伯、日本JFE公司、美国米塔尔及俄罗斯等已生产出耐磨寿命比普通钢高出4倍左右的耐磨钢材。国内多数使用NM360400，国际上NM400550，年消耗在3060万T6。瑞典奥克隆德有限公司，是SSAB瑞典钢铁集团的成员之一，拥有世界最先进的四辊轧钢机，轧机等级为1 105 KN，并拥有全球领先的淬火和回火高端技术，是世界最大的耐磨钢板和超高强度钢板制造商，在世界淬火中厚钢板市场中占据60 %的份额。该公司可以生产厚度为3155 mm、宽度达3500 mm的钢板，其钢板沿厚度方向性能的均一性得益于轧
18、钢时钢坯厚度的大量降低，晶粒大小控制得益于轧钢时对钢坯厚度和温度的精准控制。HARDOX耐磨钢板按硬度等级分为：HARDOX400、450、500、550、600和HiTuf。德国蒂森克虏伯钢铁公司(简称TKS)，从20世纪60年代中期开始生产的具有高耐磨性能的特殊结构钢板，经淬火或淬火加回火热处理后，具有致密的马氏体或马氏体贝氏体显微结构。生产的钢板厚度最大可达100 mm。除传统的XAR400、450、500级别外，TKS还成功地开发了3种新级别用于中低磨损环境的XAR300正火钢、更高温度使用的XAR400W和满足更高磨损要求的超硬级XAR600。这样，可供选择的钢板硬度覆盖范围可达30
19、0600 HB，几乎对任何使用环境均能提供适当的解决方案。所有级别中，最常用的是XAR400，硬度值为400 HB，其使用寿命可达传统结构钢板的5倍左右。DILLIDUR系列耐磨钢板根据其生产工艺和硬度值不同分为数个级别，分别满足不同的使用要求。其中，DILLIDUR400V、500V两个级别的综合性能更为突出。DILLIDUR400V交货硬度达400 HB，供货尺寸可达6l50 mm，在高磨损环境中得到了成功的应用，同时它还具有优良的可加工性能，尤其是焊接性能。DILLIDUR500V耐磨钢交货硬度达500 HB，可供厚度为8100 mm。日本JFE钢铁公司从上世纪50年代中期开始生产和销售
20、EVERHARD系列耐磨钢板，除传统级别外，JFE钢铁公司还成功研发了超级耐磨钢EH-SP，其耐磨性能已超过布氏硬度500级的钢板，以及具有优异韧性的EH360LE和EH500LE钢板。美国米塔尔公司、奥柯莱公司也生产硬度400 HB和500 HB的耐磨钢。俄罗斯的专利表明其生产的耐磨钢最高硬度可以达到600 HB7。1.2 耐磨钢的分类国外耐磨材料的生产和应用经过了30多年研究与发展的高峰期，现已趋于稳定，并有自己的系列产品和国家标准、企业标准。在耐磨钢方面，除了传统的奥氏体锰钢及改性高锰钢、中锰钢以外，从其碳含量的不同可分为中碳、中高碳、高碳合金耐磨钢；从合金元素含量的不同又可分为低合金、
21、中合金及高合金耐磨钢；从组织的不同可分为奥氏体、贝氏体、马氏体耐磨钢8。1.2.1 奥氏体耐磨钢奥氏体耐磨钢即高锰钢，是抗冲击磨损的典型耐磨钢，1882年英国人R.A.哈德菲尔德首先制成，故又称哈德菲尔德钢。它含有约1.2 %的碳和13 %的锰，经10001050 的水中淬火处理后能获得全部的奥氏体组织，因此也称奥氏体高锰钢。奥氏体耐磨钢具有很好的韧性和很强的加工硬化倾向，在冲击条件下显示出优越的耐磨性。高锰钢作为历史最悠久的一种耐磨材料，其成分(质量分数)范围为：w(C) = 0.9 %1.4 %，w(Mn) = 10 %15 %，w(Si) = 0.3 %0.8 %，w(S) 0.05 %
22、，w(P) 0.10 %。高锰钢使用状态的组织为奥氏体，它具有良好的韧性和加工硬化能力。即在强烈的冲击载荷或挤压载荷下，受力表面被加工硬化，硬度可从原始的200 HB左右提高到500 HB以上，而心部仍保持着良好的韧性。高锰钢的这种建筑在加工硬化基础上的优异的耐磨性能使它的使用受到限制，因此，要扩大高锰钢的应用范围，必须对其进行改进性研究，进一步提高其耐磨性。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Cr、Mo引起固溶强化，加入Ti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。碳是决定奥氏体锰钢强度性能、加工硬化能力
23、和耐磨性的重要元素。目前，奥氏体锰钢的发展趋势是降低C、Mn含量，但降低过多会影响其机械性能。新型奥氏体锰钢是传统高锰钢的理想替代产品，在降低C、Mn含量的同时，加入Cr元素。可以弥补C、Mn含量降低后带来钢的机械性能的不足。同时可以通过改善热处理工艺和硬化处理等方式提高奥氏体耐磨钢的硬度和使用寿命9。高锰钢使用前通常进行水韧处理，经水韧处理后的高锰钢一般为奥氏体加碳化物或者奥氏体加少量的马氏体组成。C.Scott等10-11研究了高锰钢的Mn、C含量与水韧处理后的组织关系，结果如图1.1所示。图1.1 Fe-Mn-C合金的相组成与合金成分的关系，298 K淬火除了耐磨高锰钢研究外，高强度高塑
24、性高锰钢的研究和应用日益受到重视。1997年，G.Frommeyer12等研究高锰Fe-Mn-Si-A1系相变诱发(trans-formation induced plastic-iTy，TRIP)钢时的研究结果见图1.2。研究表明，Mn含量在15 %-30 %范围内，随着Mn含量的增加钢的强度降低，而在25 %时，钢的塑性达到最大，其抗拉强度(Rm)和延伸率(A)的乘积在50000 MPa %以上，是高强韧性TRIP钢的2倍。研究结果表明，该类合金的高强韧性来自形变过程中孪晶的形成而不是TRIP钢中的相变，故命名为孪生诱发塑性(TWIP)钢。TWIP钢具有极好的力学性能(延伸率大于80 %)
25、和高的能量吸收能力(如20e时约为0.5 J/mm)，为传统深冲钢的2倍以上，有望用来制造抗冲击部件。高锰钢中发现的TWIP效应不仅明显提高材料的塑性，同时由于应变强化又提高了材料的强度，为解决材料的强度和塑性的矛盾提供了新的思路，得到了很多钢铁企业的重视，因此，很多钢铁企业加大了高锰TWIP钢的研制。例如，汽车用钢的主要欧洲供应商Arcelor公司和Thyssen Krupp Stahl(TKS)公司的研发部门从2005年开始共同研制了一系列的高锰TWIP钢，其典型成分为:Fe-23Mn-0.6C，抗拉强度为1160 MPa，延伸率达到52 %，并被用在汽车门柱上，以提高汽车受侧面撞击时的安
26、全性。(a)强度 (b)延伸率图1.2 Fe-Mn-Al-Si高锰钢室温拉伸时的力学性能1.2.2 马氏体耐磨钢低合金马氏体钢采用Cr、Ni和Mo等元素合金化，得到组织为高硬度高强度以及较好韧性的马氏体组织，热处理工艺为淬火加回火。低合金耐磨钢过冷奥氏体比较稳定，回火是为了降低或消除淬火引起的残余应力及提高材料的塑韧性，降低其脆性，获得硬度、塑性和韧性的适当配合。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，该钢种具有优越的综合机械性能。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
27、，同时，其对化学成分控制和热处理工艺要求也较高。典型马氏体耐磨钢的成分见下表1.1。表1.1 马氏体耐磨钢化学成分（质量分数） %CPSSiMnCrMoB 0.30 0.02 0.01 0.3 0.3 1.6 0.4 0.003碳对低合金耐磨钢的性能影响很大，一般随着碳含量的增加，钢的硬度会有较大的提高，但其塑性、韧性也会明显下降。Cr显著改善耐磨钢的抗氧化性，提高淬透性，增加其抗腐蚀的能力，提高耐磨性。Ni在提高耐磨钢强度的同时，对其韧性、塑性以及工艺性能的损害较其他合金元素的影响小。Mo能促使马氏体的形成，增加淬透性并提高碳化物的稳定性；Si提高耐磨钢中固溶体的强度并能增加其回火稳定性；M
28、n能降低临界冷却速度，并且是好的脱氧剂和脱硫剂；B能成倍地增加材料的淬透性；稀土能改善耐磨钢的组织、细化晶粒、净化钢液。刘荣等研究了淬火和回火温度对耐磨钢性能的影响，并利用扫描电镜等仪器对其性能进行了检验分析。低、中合金钢中淬硬态的组织有马氏体（包括板条马氏体和片状马氏体）、贝氏体（上、下贝氏体）、残余奥氏体和未溶碳化物等。研究得出13：板条马氏体在准解理断裂时有较小的断裂单元（同位向末）和较多的撕裂苓而消耗断裂功，从而提高了韧性，而片状马氏体断裂单元大，并有微裂纹造成脆性。因此，板条马氏体韧性高于片状马氏体。下贝氏体以不同位向的铁素体板条为最小断裂单元，其韧性较相同硬度的回火马氏体高，也高于
29、上贝氏体。残余奥氏体存在于马氏体板条或马氏体片间，也存在于下贝氏体组织中。因其能使应力松驰，阻碍裂纹扩展，材料断裂时吸收能量增加，而使韧性改善。未溶碳化物会引起应力集中，形成裂纹源，有利于裂纹扩展，加速脆断，降低韧性。粗大连续碳化物较分散，细小碳化物对韧性危害更大。不同组织的耐磨性取决于硬度和韧性，在接近硬度下韧性良好的组织相应也有良好的耐磨性，大致有以下的趋势:板条马氏体耐磨性优于片状马氏体。下贝氏体耐磨性高于相同硬度的回火马氏体。残余奥氏体的作用取决于磨损类型。在低应力磨损下，残余奥氏体增多，硬度降低，耐磨性下降；高应力与冲击不大的磨损条件下，残余奥氏体增加，可抑制裂纹形成和扩展，阻碍变形
30、和剥层疲劳磨损，而提高耐磨性。在较大冲击条件下，如大磨机中的磨球，过多残余奥氏体对耐磨性不利。因在冲击变形中残余奥氏体发生马氏体相变，体积膨胀，应力集中而发生脆性剥落。在M-A基体中分布细小弥散碳化物对耐磨性有利，而在硬基体中分布大块未溶碳化物，在高应力较大冲击下碳化作为裂纹源引起脆性断裂剥落，对耐磨性不利。张清辉等研究了贝氏体-马氏体耐磨钢板的组织及力学性能14。结果表明，在低碳贝氏体钢基础上，通过加入一定量的Si，利用其在贝氏体组织转变过程中抑制碳化物析出的作用，得到由非等轴铁素体加马氏体和残留奥氏体岛或由板条状铁素体及其板条间残留奥氏体膜组成的贝氏体-马氏体组织，因此这种钢既具有高强度、
31、高硬度，又具有较高的低温冲击韧性。张逖、王乾、斯松华等人以400 HB级贝氏体耐磨钢板（NB400）和马氏体耐磨钢板NM400为研究对象，对比研究了两种耐磨钢的组织特征及其滑动磨损性能和冲击磨料磨损性能。得出了如下结论15：NM400钢组织为回火板条马氏体，残留奥氏体含量较少，滑动磨损试验表明其具有较好的耐磨性能。NB400钢组织由板条贝氏体及其间的残留奥氏体组成，在滑动磨损过程中，由于交变应力的作用，在硬质贝氏体和软质残留奥氏体之间容易产生疲劳裂纹并逐渐扩展，从而产生剥落，在较高的应力载荷下更为严重，因此NM400钢的耐滑动磨损性能优于NB400钢。准贝氏体耐磨钢NB400组织由板条贝氏体及
32、一定量的残留奥氏体组成，NM400钢的组织为回火板条马氏体。在滑动磨损条件下，随着载荷的增大，两种耐磨钢的磨损失重增加在相同载荷下，NM400耐磨钢的耐磨性优于NB400耐磨钢。在冲击磨料磨损条件下，采用低冲击吸收能量时，NM400耐磨钢的磨损性能优于NB400耐磨钢；采用高冲击吸收能量时，NR400耐磨钢的磨损性能反而优于NM400耐磨钢，这与残留奥氏体对高冲击吸收能量冲击的缓冲作用及应变诱发相变硬化有关。王佳、时捷、王存宇、等董瀚、周荣锋自行研制的新型低合金马氏体耐磨钢ADVANS450W和ADVANS600W，其硬度分别达到450 HB和600 HB。在MLD-10型动载磨料磨损试验机上
33、研究了新材料在不同冲击能量下相对于高锰钢ZGMn13的耐磨性，并分析了其磨损机理。结果表明：拥有较好冲击韧性的新型马氏体钢，在各种冲击条件下耐磨性均优于ZGMn13，随着冲击能量的提高，主要磨损机制从显微犁削逐渐转变为显微疲劳剥落16。1.2.3 贝氏体耐磨钢20世纪20年代末，Robertson首次在钢中发现贝氏体中温转变产物。近几十年来，贝氏体钢的研究开发已经引起学术界和工程界的高度重视，在工业生产中也得到了广泛应用。20世纪50年代，英国人P.B.Pickering等发明了Mo-B系空冷贝氏体钢。Mo与B的结合可以使钢在相当宽的连续冷却速度范围内获得贝氏体组织。由于生产成本较高，因此该钢
34、种的发展受到一定限制。F.G.Caballelo等在设计高强度贝氏体钢的研究中，设计了Fe-0.2C-2Si-3Mn和Fe-0.4C-2Si-4Ni两种钢成分。研究发现，Fe-0.2C-2Si-3Mn贝氏体钢表现出良好的断裂韧性，强度可以达到1375-1440 MPa；增加碳含量，即Fe-0.4C-2Si-4Ni成分的贝氏体钢强度可达1500-1840 MPa，其断裂韧性稍低，但仍然要高于高强度马氏体钢。清华大学方鸿生等在研究中发现，M n在一定含量时，可使过冷奥氏体等温转变曲线上存在明显的上下C曲线分离，发明了M n-B系空冷贝氏体钢，突破了空冷贝氏体钢必须加入Mo、W的传统设计思想，研制出
35、中高碳、中碳、中低碳、低碳Mn-B系列贝氏体钢17。20世界80年代西北工业大学康沫狂等通过多年的研究，提出了由贝氏体铁素体（即低碳马氏体）和残余奥氏体组成的准（非典型或无碳化物）贝氏体，并成功研制了系列准贝氏体钢。与一般结构钢相比，新型准贝氏体钢具有更好的强韧性配合，其力学性能超过了典型贝氏体钢、调质钢和超高强度钢。典型准贝氏体耐磨钢的成分见下表。表1.2 准贝氏体耐磨钢化学成分（质量分数） %CSPSiMnV、Ti、Nb 0.21 0.02 0.01 1.2 1.3适量通过研究上表表明18，准贝氏体钢的组织由贝氏体铁素体和残余奥氏体组成，具有较高的强度和韧性，而碳化物的存在，严重影响了钢的
36、性能。在准贝氏体钢中加入Si、Al等合金元素，能有效阻止碳化物的出现。准贝氏体组织中的残余奥氏体是碳的过饱和固溶体，磨损时在外力作用下部分残余奥氏体发生诱发马氏体相变，形成高碳马氏体，形成硬质点。准贝氏体类似于低碳马氏体，具有良好的强韧性和较高的破断抗力，硬质点耐磨，基体破断抗力高，磨粒不易断裂和脱落，使耐磨性提高。张逖等人通过研究南钢NR360贝氏体耐磨钢板的组织、力学性能、耐磨性能及焊接性能19，结果表明，NR360耐磨钢板的组织为板条状的无碳化物贝氏体及残余奥氏体组织，该钢板具有较高的屈服强度、抗拉强度，及良好的韧性。钢板的耐磨性好，在滑动磨损试验下，钢板的磨损机制主要为微切削与犁沟机制
37、。焊接接头中焊缝组织主要为块状和针状铁素体组织，热影响区组织为细化的板条贝氏体与马氏体组织。焊接接头具有良好的强韧性，热影响区的硬度与耐磨钢基体相近。1.3 耐磨材料的磨损性能与选用1.3.1 高强韧耐磨钢磨损性能的研究耐磨钢属于高耐磨性的钢种20，使用过程中的磨损类型有切削磨损、疲劳磨损和脆断磨损，一般认为材料硬度越高越耐磨21，既有高的硬度又有良好的塑性是对耐磨钢的基本要求。柳翊，杨涤心，谢敬佩，王文焱等人对高强韧耐磨钢优化成分和热处理工艺后，在MMS-1G高温高速销盘摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损性能试验，运用JSM-5610LV扫描电镜分析磨损形貌与速率以及载荷之间的关系和规律。得出以下
38、规律：在一定载荷(40 N)作用下，随摩擦速度的提高，转速对销试样的磨损量影响不大，磨损量先增大后减小；在一定摩擦速度(50 m/s)作用下，随载荷的增加，磨损量明显增大。近年来，国内的一些钢板生产厂家采用轧后离线调质处理工艺生产高强度耐磨钢板，但制造成本高，工艺复杂。南京钢铁股份公司在炉卷轧机生产线上，采用低碳低合金化设计和“TCMP + 离线回火”工艺研发生产出NR400高强度非调质贝氏体耐磨钢板，具有高的硬度、强韧性及良好的耐磨性等特点。梁学平、张逖、宋娟、王娜、斯松华等人通过研究NR400耐磨板的组织及耐磨性22，得出了一下结论：(1)NR400耐磨板在热轧+低温回火后的组织为板条状贝
39、氏体，残余奥氏体，SW400和JA400进口耐磨板通过在线淬火加低温回火后其显微组织主要为回火马氏体。(2)在本试验磨损条件下，NR400耐磨板的耐磨性最好，SW400耐磨板次，JA400耐磨板最差。(3)在滑动磨损条件下，3种耐磨板的磨损机制主要为微切削与犁沟机制，但SW400和JA400耐磨板磨面的磨损程度比NR400耐磨板较大。1.3.2 耐磨材料的选用耐磨材料种类繁多，可满足各种工况的需要。关键是制造厂如何生产出内在、外观质量均优良的产品。近年来学术界、企业家认识到，生产优质产品须有良好的设备、完善的检测手段。目前我国多数厂家采用冲天炉、中频炉或双联法生产，少数厂采用电弧炉生产，应用炉
40、外精炼和连铸的更少，造成金属液冶金质量、纯净度差，去气、去夹杂不理想。国内大多采用手工造型，湿型铸造，效率低，铸件缺陷多，造成耐磨件早期失效。热处理多燃煤加热，热处理质量差，铸件性能不稳定。我国耐磨材料生产厂有数百家，多为中、小厂，检测手段不全，有的甚至成分分析都不能保证；力学性能更很少检测。对此，我们可以采取以下措施：从冶金质量上狠下功夫，生产高锰钢、合金钢、高铬铸铁，宜采用电弧炉熔炼或配以炉外精炼，或采用真空熔炼。有效降低非金属夹杂物和气体含量，纯洁金属液，以提高铸件力学性能、耐磨性和使用性能；推广先进铸造工艺(如消失模工艺、金属型覆砂工艺、自硬树脂砂工艺、离心铸造工艺及挤压造型工艺等)，
41、改善铸件表面质量，并使铸件内部组织致密，无缩孔、疏松等缺陷；采用金属型激冷、加入复合变质剂处理，采用悬浮浇注，控制浇注温度，进一步减少夹杂、夹砂、气孔、缩孔等缺陷，提高铸件致密度，细化晶粒，提高耐磨性；热处理设备建议应用以天然气、煤气、油、电为能源的热处理设备，逐步淘汰燃煤热处理炉，发展连续热处理炉，加强升温速度、保温时间的监控，确保热处理质量；我国高锰钢、抗磨白口铸铁等都制定了国家标准，耐磨合金钢也将制定国家标准，制造厂应参照国家标准，制定严格企业标准指导生产。同时完善测温、成分分析、力学性能测试、探伤等检测设备。建立完整的质量保证体系。作为用户，应首选具有良好生产设备和检测手段厂家的产品。
42、李茂林认为23：选耐磨件前先要进行磨损失效分析，充分认识配件的服役条件，如采用干法还是湿法生产，受冲击负荷的大小，物料的种类，易磨性，粒度，物料的尖锐度等，进行技术经济指标对比，如果耐磨性提高比率远大于价格比率，应优先选择；具体耐磨铸件的选择：大型颚式破碎机颚板(400 kg以上)、大型破碎机锤头(50 kg以上)、应选择标准高锰钢，加铬钼合金化高锰钢或超高锰钢；中小型破碎机颚板、20 kg以下锤头、球磨机衬板可选用低碳中合金钢、高韧性高铬铸铁；国外引进的球磨机衬板可参照引进件成分，采用合金钢或高铬铸铁，国内磨机筒体衬板根据结构形式不同选择合金钢或高铬铸铁；磨头板、隔仓板、出料筛板应选择合金化
43、高锰钢或低碳合金钢；低冲击冲刷磨损件可选择白口铸铁。随着耐磨材料研究与应用的发展，针对千差万别的使用条件，应继续深入研究摩擦磨损理论，并在新材料、新工艺，特别是产品生产的机械化、自动化上下功夫，不断提高生产效率，降低成本，稳定产品质量，提高入世以后在国际市场的竞争力。材料成分设计将应用微合金化理论，与新技术、新工艺结合开发出超细、超均匀、超强韧性、超纯度的新耐磨材料，引入纳米材料，陶瓷材料与合金钢复合开发更新的耐磨、耐蚀、耐冲击新材料。1.4 耐磨钢焊接性问题焊接性是指同质材料或异质材料在制造工艺条件下，能够焊接形成完整接头并满足预期使用要求的能力。冶金焊接性是指冶金焊接性是指熔焊高温下的熔池
44、金属与气相、熔渣等相之间发生化学冶金反应所引起的焊接性变化。热焊接性是指焊接过程中要向接头区域输人很多热量，对焊缝附近区域形成加热和冷却过程，这对靠近焊缝的热影响区的组织性能有很大影响，从而引起热影响区硬度、强度、韧性、耐蚀性等的变化24。耐磨钢碳含量上限制得较低，在合金成分上考虑了焊接性的要求。由于这类钢热影响区形成的是低碳马氏体，马氏体开始转变成高温Ms较高，所形成的马氏体具有“自回火”特性，使得焊接冷裂纹倾向比较小。1.4.1 焊缝强韧性匹配屈服强度s是工程设计中确定许用应力的主要依据；b是强度储备的重要指标；s/b称之为屈强比，是选择材料的重要参数，低的有利于加工成形，高的有利于发挥钢
45、材的强度潜力。焊缝强度匹配系数S= (b)w/(b)b，是表征接头力学非均匀性质的参数之一，(b)w为焊缝强度，(b)b为木材强度。当S 1时，称为“超强匹配”，S = 1时为“等强匹配”，S 1时为“低强匹配”。对于焊缝金属选择问题，传统上主张焊缝强度等于或者大于母材强度，即所谓的等强匹配或者超强匹配，认为焊缝强度高一些更为安全。但是，焊缝金属的强度越高，韧性往往越低，甚至低于母材的韧性水平。即使是低强度钢，采用大热输入的焊接方法时，焊缝金属的韧性也常常低于母材。对于较低强度的钢，无论是母材或焊缝都有较高的韧性储备，所以按等强匹配选用焊接材料，既可保证接头区有较高的强度，也不会损害焊缝的韧性
46、。高强钢采用“低强匹配”能提高焊接区的抗裂性。1.4.2 冷裂纹耐磨钢的合金化原则是在地摊基础上通过加入多种提高淬透性的合金元素，来保证获得强度高、韧性好的低碳“自回火”马氏体和部分下贝氏体的混合组织。这类钢由于淬硬性大，在焊接热影响区粗晶区有产生冷裂纹和韧性下降的倾向。但热影响区淬硬组织为Ms点较高的低碳马氏体，具有一定韧性，裂纹敏感性小。对于wc 30时，液化裂纹敏感性较小；WMn/WS超过50以后，液化裂纹的敏感性更低。此外，Ni对液化裂纹的产生起着明显的有害作用。总之，避免热裂纹或者液化裂纹的关键在于控制C和S的含量，保证高的Mn、S比，尤其是当Ni含量高时，要求更为严格。1.4.4
47、热影响区性能变化耐磨钢热影响区是组织性能不均匀的部位，突出的特点是同时存在脆化（即韧性下降）和软化现象。即使母材本身具有较高的韧性，机构运行中微裂纹也容易在热影响区脆化部位产生和发展，存在接头区域出现脆性断裂的可能性。(1)热影响区脆化在焊接热循环作用下，t8/5继续增加时耐磨钢热影响区过热区易发生脆化，即冲击韧性明显降低。热影响区脆化的原因除了奥氏体晶粒粗化的原因外，更主要的是由于上贝氏体和M-A组元的形成。M-A组元形成条件与上贝氏体（Bu）相似，故Bu形成长伴随M-A组元。上贝氏体在500-450 温度范围形成，长大速度也很快，而碳的扩散较慢，由条状铁素体包围着的岛状富碳奥氏体区一部分转变为马氏体，另一部分保留下来成为残余奥氏体，即形成M-A组元。M-A组元的韧性低是由于残余奥氏体增碳后易于形成孪晶马氏体，夹杂与贝氏体与铁素体之间，在晶面上产生
