摩擦磨損是機械零件的主要失效形式之一，每年機械零件因磨損所造成的經濟損失占國民生產總值得4%。在機械零件的摩擦磨損中，所處的工況不同，零件的磨損機理也不一樣。磨損類型一般有磨粒磨損、黏著磨損、沖蝕磨損、腐蝕磨損等。耐磨鋼目前還沒有系統的牌號標準，不過根據不同的應用工況，發展了一系列的耐磨材料，如奧氏體耐磨鋼、貝氏體耐磨鋼、馬氏體耐磨鋼、多相鋼、耐磨鑄鐵等。本文簡要介紹耐磨機理、耐磨鋼種類；并對球狀共晶奧貝氏體多相鋼耐沖擊磨粒磨損性能進行主要介紹。

    1、引言

    耐磨鋼是廣泛應用的一類鋼種，100年多來，各類耐磨鋼層出不窮，在冶煉、熱處理工藝、化學成分以及機加工工藝等方面不斷進行改進，耐磨鋼的性能不斷提高，使用壽命得到了極大的提升。最近這二十到三十年間，國外把摩擦、潤滑還有磨損，構成了一門獨立的學科叫做摩擦學。但從材料學科特別是從材料的工程應用上來看，在研究的過程中人們更加重視材料的磨損。根據非完全的統計數據我們可以知道，世界能源的1/3-1/2消耗于摩擦，并且機械零件在工作的過程中失效的主要原因也是因為磨損。

    根據不同的工況和磨損機理，開發出了不同的耐磨鋼。例如在礦山、冶金、基礎建設等存在較大沖擊磨粒磨損的條件下，歷史悠久的高錳鋼得到了很好的應用，主要因為其在外力的作用下奧氏體發生誘發馬氏體相變，發生加工硬化，從而保護基體，達到耐磨的效果；在低沖擊作用下，基體的硬度是決定耐磨性的主要原因，因此出現了低合金馬氏體耐磨鋼，此類鋼在淬火加低溫回火后得到具有高密度位錯的板條馬氏體，在低沖擊的作用下能夠有效的阻止裂紋的萌生，達到抗磨損的效果，此外馬氏體組織具有高的硬度，耐磨性能良好；除了上述兩種鋼，還開發出了貝氏體鋼、準貝氏體鋼、以貝氏體為基體的多相鋼，貝氏體組織具有良好的強韌性，硬度較馬氏體有一定的下降，不過韌性更好，能夠在中等沖擊力的作用下良好的工作。

    2、工況簡介

    摩擦發生在大多數情況下，工件相互接觸，并發生相對運動或者具有相互運動趨勢，就會存在摩擦的情況。除了摩擦存在，大多數時候在接觸面的相對運動過程中，表面材料不斷損失轉移，發生磨損現象，造成工件的失效。絕大部分的磨損是有害的，不僅浪費材料浪費能源，還直接影響機器的壽命和準確性。不過有的時候，磨損是有益的，比如說研磨，使得表面粗糙度降低，使刀刃變得鋒利。

    在金屬材料的使用過程中，根據工作環境的不同，發生摩擦磨損的嚴重程度也不一樣。在有潤滑劑發生濕摩擦的情況下，工件表面的摩擦磨損狀況會降低，如大多數齒輪在工作過程中都會使用潤滑油；在沒有潤滑的條件下，工件相互之間發生干摩擦，表面的因此造成的失效會加速，此類摩擦是禁止的；在具有磨粒的環境中，不僅工件接觸面會發生摩擦磨損，磨粒的存在會加速摩擦磨損，例如在潤滑的過程中，塵土或者磨屑進入潤滑油中，就會加速表面的失效，造成例如犁溝、剝落等現象；在有磨粒有沖擊的情況下，摩擦磨損會更嚴重，比如說礦山、運輸等環境下，除了存在磨粒以外，還存在很大的沖擊力，磨粒破碎嵌入工件表面，加速了失效；除此之外，有的工件是在具有腐蝕的條件下工作的，除了要求具有耐磨性以外，還要求具有耐腐蝕性，不然腐蝕會加速磨損，磨損又促進腐蝕，這樣循環導致工件的失效。

    3、磨損模型

    金屬材料的摩擦磨損發生在很多工況下，摩擦副的材料不同、工況條件不同，對應的磨損機理也就不同。眾所周知的磨損機理又黏著磨損、磨料磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損、沖蝕磨損、微動磨損、沖擊磨損等。[4]對于金屬工件來說，往往幾種磨損會同時發生，單一磨損的情況較少。

    3.1黏著磨損

    黏著磨損是指在工件與工件的接觸面產生相對滑動，由于固相焊合的作用產生黏著點，改點在剪切力的作用下，脫離材料基體，從一個面轉移到另外一個面，從而導致工件的磨損。最常見的是基體上較軟的組織，在摩擦過程中，粘附在其他工件上，從基體上剝落，產生剝落坑。黏著磨損的機理如圖1所示。

    3.2磨料磨損

    磨料磨損是指外界的硬顆粒在磨擦磨損的過程中使得工件表面材料脫落的現象。還有一種情況就是對磨工件表面有硬的凸起的顆粒，在摩擦磨損的過程中，同樣可以起到磨料的作用，致使表面剝落。磨料磨損又可以分為兩體和三體磨料磨損，兩體磨損是指磨料沿一個工件表面運動，通常磨料與表面的接觸應力較低，固體表面產生擦傷或微小的犁溝痕跡；三體磨損是指外界磨粒在兩個磨面之間移動，和研磨的作用差不多。通常三體磨損中磨粒與接觸表面會產生極大的應力，從而使得表面發生變形或者疲勞，脆性表面會產生脆裂或者剝落。挖掘機鏟齒、球磨機襯板是典型的磨料磨損。

    3.3腐蝕及疲勞磨損

    腐蝕磨損是指工件在工作中與所處的環境介質發生化學反應或者發生電化學反應形成腐蝕產物，比如鐵表面與空氣中的氧氣反應生成鐵的氧化物，這些氧化物與表面的結合力較弱，容易從工件表面脫落引起磨損。腐蝕磨損中較為常見的是氧化磨損，此外在特殊的工作環境中，工件會因特殊的腐蝕氣氛而產生特殊介質腐蝕。

    疲勞磨損較常出現在滾動或者滾動兼滑動的摩擦表面，工件在交變應力的作用下，使得表面較軟區域產生塑性變形，當應力超過材料的拉伸強度，就會在薄弱的地方產生裂紋，裂紋在應力的作用下會不斷擴展，裂紋長度達到一定值后就會引起斷裂，造成點蝕剝落的現象，大致流程如圖2所示。

    除了以上幾種磨損以外，還有沖蝕磨損、微動磨損和沖擊磨損。沖蝕磨損是指流體或者包含有微顆粒的流體以一定的速度和角度對材料表面沖擊所造成的磨損，較為常見的是在鑄造過程中，熔融金屬液對磨具 表面的沖蝕磨損；微動磨損是指兩個相互接觸的承載工件，其接觸表面雖然沒有宏觀的相對位移，但卻能產生在外部變動載荷和振動下產生微小的滑動，接觸表面會在這種微小的滑動過程中產生磨損。沖擊磨損多指磨粒以高的速度撞擊表面，對工件表面產生磨損，在這種情況下，工件表面不僅會產生剪切應力，還會產生壓應力，在多重應力的作用下，加速了表面的磨損。

    4、耐磨鋼種類

    耐磨鋼經過不斷的發展，耐磨鋼的種類日趨增加，應用的范圍也越來越廣泛。例如許振明等人研發出球狀共晶奧貝氏體耐磨鋼，在中低沖擊作用下具有很好的耐磨性；康沫狂教授提出了準貝氏體的概念，國內外許多學者在此基礎上對其性能進行了大量的研究，并發展成了準貝氏體耐磨鋼。下面簡要介紹國內外出現的一些耐磨鋼種。

    4.1高錳鑄鋼

    高錳鋼作為耐磨鋼的運用歷史悠久，其主要運用在具有較大沖擊力作用的環境下，奧氏體基體在沖擊力的作用下發生加工硬化，產生應力誘變馬氏體，從而達到耐磨的效果。目前使用的高錳鋼化學成分大致為：C：0.9—1.5%、Mn：10—15%、Si:0.3—1.0%、S:≤0.05%、P：≤0.10%。高錳鋼加工非常困難，通常是通過鑄造成工件來使用。Mn是奧氏體化元素，擴大奧氏體區，經過水韌處理使得此類鋼在常溫下得到單一奧氏體組織。由于傳統高錳鋼只適用于存在高沖擊的工況下，而且其表層硬化層容易破碎，頻繁更換增加了經濟成本，因此在傳統高錳鋼的基礎上發展了一系列耐磨鋼。在高錳鋼中加入稀土元素以及強碳化物形成元素，細化了奧氏體晶粒，并且使碳化物彌散分布，提高了其耐磨性；在一定的范圍內，提高碳含量，從而提高基體硬度，提高其耐磨性；降低錳含量，降低過冷奧氏體的穩定性，提高Ms點，促進奧氏體的加工硬化，從而提高耐磨性；提高錳含量，同時加入一定量的合金元素，提高奧氏體組織的韌性，增強其拉伸強度，在沖擊磨粒磨損的過程中，裂紋擴展困難，剝落過程減緩，從而提高耐磨性。

    4.2貝氏體、馬氏體耐磨鋼

    眾所周知，下貝氏體組織具有高的強韌性和良好的耐磨性，在此基礎上發展出來的貝氏體耐磨鋼被廣泛應用。在貝氏體鋼中，較早出現的是低碳貝氏體鋼，而后出現了中高碳貝氏體，其碳含量為0.45%-0.65%,直接空冷得到，工藝簡單成本低，并且具有良好的耐磨性；除此之外，還有貝氏體球磨鑄鐵，其碳含量為3.5-3.9%，王振國等人研究得出在空冷條件下得到的高碳貝氏體球磨鑄鐵制作的磨球與中錳球鐵與高鉻鑄鐵所制作的磨球性能更好。在貝氏體鋼的基礎上，陸續又有一些新的鋼種被研發出來，比如康沫狂教授經過多年的研究，研發出了準貝氏體鋼，其組織是貝氏體、鐵素體以及殘余奧氏體，準貝氏體鋼具有良好的耐磨性以及焊接性能；許振明等人研究的ABEN鋼，即球狀共晶奧貝氏體鋼，這個鋼在沖擊磨粒磨損的條件下表現出良好的耐磨性能；馬氏體具有高的硬度，在低沖擊作用下具有好的耐磨性，貝氏體馬氏體雙相鋼彌補了單一馬氏體鋼韌性較差的缺點同時又提高了貝氏體鋼的硬度，增強了耐磨性；貝氏體、馬氏體、殘余奧氏體三相復合鋼較傳統高錳鋼在高沖擊的作用下性能更加優異，貝氏體結合馬氏體的基體具有良好的強韌性，在沖擊力的作用下，殘余奧氏體向馬氏體轉變，吸收能量，提高耐磨性；除此之外還有奧氏體貝氏體雙相耐磨鋼等。

    除了以上提到的兩大類耐磨鋼，還有馬氏體耐磨鋼。馬氏體是在奧氏體急速冷卻的過程中得到的過飽和α-Fe組織，馬氏體中含有的高密度位錯以及細小的晶粒度，都決定了其具有良好的耐磨性。馬氏體耐磨鋼常見的組織是回火馬氏體，其硬度很高，抗切削耐磨性能好，在馬氏體范圍內，其硬度值與其耐磨性成正比關系，在低沖擊力的環境下能夠較好服役，不過在高沖擊力的環境下，其性能遜與奧氏體組織，主要是由于其韌性不足，容易開裂，在此中工況下，一般不會單獨使用馬氏體組織。在馬氏體耐磨鋼的研究中，國外學者提出了一種Q-P-T熱處理工藝，通過在Ms和Mf之間進行等溫處理，形成馬氏體加富碳奧氏體組織，提高了耐磨性。王佳等人通過對比得出結論，經Q-P-T熱處理的20Si2Ni3鋼在保持高硬度的同時，具有良好的韌性，在耐沖擊磨粒磨損方面的性能有所提升。

    目前來說，國際上發展比較成熟的耐磨鋼有德國蒂森克虜伯的XAR400，XAR450，XAR500；瑞典鋼鐵旗下的奧克德隆公司生產的HARDOX系列鋼板，其中HARDOX600是目前世界上最硬的耐磨鋼板，HARDOX系列耐磨鋼不僅具有良好的耐磨性，并且具有良好的焊接性；除此之外，日本生產的JFE，EH360，EH400，EH500都是性能優良的耐磨鋼。國內多家鋼廠均生產耐磨鋼，如舞鋼、寶鋼、武鋼等企業，生產的部分耐磨鋼板達到國際先進水平，出口多個國家。

    5、結語

    通過文獻資料的查閱，對國內外一些主要的耐磨鋼有個大致的了解，同時對于摩擦磨損的機理有更深入的認識。目前我國生產的耐磨鋼整體水平處于世界的中上游，但一些高端耐磨鋼仍需要從國外進口。在未來的發展中，相信我國的科技人才會以市場為導向，在基礎研究和新技術的基礎上，研發出一系列的高性能耐磨鋼，擺脫高端鋼材進口的現狀。

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責任編輯：龐雪潔

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