摘要：本文介紹了鋼鐵耐磨材料的發(fā)展歷史，重點(diǎn)綜述了高錳鋼、高鉻鑄鐵、高釩高速鋼3類典型耐磨材料的成分、顯微組織、磨損性能、抗磨機(jī)理和改性技術(shù)。以高錳鋼為代表的耐磨鋼依靠高強(qiáng)韌性的基體抵抗磨損，而以高鉻鑄鐵和高釩高速鋼為代表的耐磨合金主要依靠高硬度的耐磨相抵抗磨損，高釩高速鋼比高鉻鑄鐵具有更優(yōu)良的耐磨性，與VC硬度高、形態(tài)好的特性有關(guān)。提出了高性能耐磨材料應(yīng)具備3個(gè)要素：高強(qiáng)韌基體，高硬度多尺度協(xié)同作用的優(yōu)質(zhì)耐磨相，耐磨相與基體良好結(jié)合。

關(guān)鍵詞： 鋼鐵耐磨材料 ; 研究進(jìn)展 ; 展望

磨損是材料損傷的三大原因之一，是機(jī)械裝備失效的重要方式。統(tǒng)計(jì)資料表明[1]：約有80%的機(jī)器零部件是由于磨損而失效的，每年因摩擦、磨損造成的損失約占國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的5%，中國工程院調(diào)查結(jié)果顯示，我國2006年摩擦、磨損造成的損失約9600億元，隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，摩擦、磨損領(lǐng)域?qū)Σ牧系南牧恳惭杆僭黾樱鶕?jù)我國2018年的GDP推測，由于摩擦、磨損造成的損失超過4萬億元。耐磨材料是制造業(yè)重要的消耗材料，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、電力、建材、國防、船舶、鐵道、煤炭、化工等領(lǐng)域，典型產(chǎn)品如冶金工業(yè)的挖掘機(jī)、破碎機(jī)、球磨機(jī)等設(shè)備中的斗齒、磨球、襯板，金屬軋機(jī)中的軋輥，電力工業(yè)磨煤機(jī)中的磨環(huán)、沖擊板，渣漿泵過流件等，耐磨產(chǎn)品消耗量巨大[2,3,4]。近年來，隨著裝備制造業(yè)向規(guī)模大型化、應(yīng)用條件苛刻化、運(yùn)轉(zhuǎn)高效化方向發(fā)展，對耐磨材料的性能要求越來越高，開發(fā)出高性能的耐磨材料具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，提高耐磨材料使用壽命已經(jīng)成為國家制造業(yè)整體競爭力提升的重要任務(wù)之一。

1 磨損的基本認(rèn)識(shí)

磨損被列為材料三大失效方式（斷裂、腐蝕、磨損）之一，它是一種復(fù)雜的現(xiàn)象，受機(jī)械、物理、化學(xué)、材料等諸多因素影響，目前對磨損尚無嚴(yán)格統(tǒng)一的定義。克拉蓋爾斯基[5]認(rèn)為：磨損是由于摩擦結(jié)合力反復(fù)擾動(dòng)而造成的材料破壞，邵荷生[6]將磨損定義為：由于機(jī)械作用、間或伴有化學(xué)或電的作用，物體工作表面材料在相對運(yùn)動(dòng)中不斷損耗的現(xiàn)象。從廣義的角度理解，存在各種介質(zhì)的開放或封閉體系內(nèi)，在載荷的相互作用下，由于物體相對運(yùn)動(dòng)而引起的表面損耗即為磨損。但是，并非所有磨損現(xiàn)象都具有研究價(jià)值，在一定時(shí)間內(nèi)，零部件的幾何尺寸（體積）明顯變小，導(dǎo)致零部件失去其應(yīng)有的功能的磨損才具有研究價(jià)值。

由磨損的定義可知，磨損是一門系統(tǒng)工程，磨損過程是復(fù)雜的動(dòng)態(tài)微觀作用過程，并受材料成分、組織結(jié)構(gòu)等內(nèi)因和溫度、環(huán)境介質(zhì)、作用方式等外因影響，因此，對磨損有不同的分類方法，且磨損的類型繁多。按表面接觸性質(zhì)分，磨損可分為：金屬-磨料磨損、金屬-金屬磨損、金屬-液體磨損；按環(huán)境和介質(zhì)分，磨損可分為：干磨損、溫磨損和液體磨損；按磨損機(jī)理分類，磨損可分為：磨料磨損、微動(dòng)磨損、沖擊磨損、黏著磨損、疲勞磨損、沖蝕磨損等[7]。由于零部件實(shí)際工況的磨損條件和磨損過程的復(fù)雜性，材料的磨損常常是多種磨損機(jī)制并存，因而，耐磨材料學(xué)術(shù)界有一句共識(shí)：“沒有萬能的耐磨材料”，需要根據(jù)具體的應(yīng)用工況匹配適用的耐磨材料。

2 代表性的鋼鐵耐磨材料

近代鋼鐵材料是伴隨第一次工業(yè)革命發(fā)展起來的，由于機(jī)器設(shè)備的發(fā)展需要高性能的鋼鐵材料，出現(xiàn)了針對不同應(yīng)用領(lǐng)域的多種類型的鋼鐵材料，鋼鐵耐磨材料就是其中的一類。耐磨鋼作為專用鋼始于19世紀(jì)后半葉，1882年英國人哈德菲爾德（Robert Abbot Hadfield）發(fā)明了高錳鋼，此鋼種在高應(yīng)力沖擊載荷下表面產(chǎn)生加工硬化，顯微硬度由250 HV提高到700 HV左右，有利于提高表面抗磨損性能，而工件內(nèi)部仍保持優(yōu)良的韌性，因此，該鋼種兼具了耐磨性與使用安全性，廣泛用于礦山機(jī)械、冶金機(jī)械、建筑機(jī)械、拖拉機(jī)履帶板等高載荷沖擊工況下的耐磨件。1898年美國機(jī)械工程師泰勒和冶金工程師懷特發(fā)明了高速鋼，該鋼種含有大量高硬度的碳化物而具有優(yōu)良的耐磨性，主要用于制造薄刃和金屬切削刀具，經(jīng)過100多年的不斷發(fā)展，形成了鎢系高速鋼、鉬系高速鋼、鈷系高速鋼等多個(gè)系列，應(yīng)用工況范圍不斷擴(kuò)大。近幾十年來，非錳系低、中合金耐磨鋼的開發(fā)與應(yīng)用發(fā)展很快，20世紀(jì)70~80年代在國際上形成了系列并制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，主要包括馬氏體、貝氏體和雙相耐磨鋼系列。鉻系白口鑄鐵起源于20世紀(jì)初期，第二次世界大戰(zhàn)后開始廣泛應(yīng)用，該材料因含有Cr的碳化物和高強(qiáng)度基體而具有優(yōu)良的耐磨性，在冶金、礦山、建材、火力發(fā)電等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，成為國內(nèi)外公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)耐磨材料。高釩高速鋼是伴隨軋輥技術(shù)發(fā)展而發(fā)明的一類新鋼種，鋼中碳化物類型以MC型為主，碳化物硬度高、耐磨性好。20世紀(jì)80年代，日本川崎制鐵（株）鋼鐵研究所開發(fā)了高釩高速鋼耐磨軋輥，1990年前后，日本新日鐵公司也成功開發(fā)了高釩高速鋼軋輥。在國內(nèi)，20世紀(jì)90年代中期，唐山聯(lián)強(qiáng)冶金軋輥有限公司與鋼鐵研究總院合作，在我國率先研制成功離心鑄造高速鋼軋輥，并成功應(yīng)用于熱軋窄帶鋼軋機(jī)、棒材軋機(jī)、高速線材軋機(jī)等。河南科技大學(xué)于2001年成功研制了高釩高速鋼，應(yīng)用于建材行業(yè)的錘頭、襯板等產(chǎn)品[8]。

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，現(xiàn)代鋼鐵耐磨材料種類已非常齊全，針對沖擊磨損、磨料磨損、沖蝕磨損等各種磨損形式形成了多類型的耐磨材料系列，許多國家和地區(qū)均形成了完善的標(biāo)準(zhǔn)化體系。我國于1982年發(fā)布第一個(gè)耐磨材料國家標(biāo)準(zhǔn)（中錳抗磨球墨鑄鐵件GB3180-1982），之后，又陸續(xù)發(fā)布了高錳鋼鑄件（GB5680-1985）、抗磨白口鑄鐵技術(shù)條件（GB8263-1987）、鑄造高錳鋼金相（GB/T13925-1992） 3項(xiàng)耐磨材料國家標(biāo)準(zhǔn)（截止到1992年）。經(jīng)過幾次修訂和完善，目前，在鑄造鋼鐵耐磨材料方面，形成了奧氏體錳鋼件、耐磨鑄鋼件、鉻錳鎢系抗磨鑄鐵件、抗磨白口鑄鐵件、耐磨耐蝕鋼鑄件等10項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)，此外，還有機(jī)械行業(yè)耐磨材料標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)及中國鑄造協(xié)會(huì)和鋼鐵耐磨材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟耐磨材料標(biāo)準(zhǔn)14項(xiàng)。此外，在電力、建材、黑色冶金等行業(yè)，也有多項(xiàng)耐磨材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。耐磨材料種類繁多，本文主要介紹3類具有劃時(shí)代意義的優(yōu)質(zhì)耐磨材料。

2.1 高錳鋼

2.1.1 高錳鋼國家標(biāo)準(zhǔn)與化學(xué)成分

高錳鋼自100多年前問世以來，一直是高應(yīng)力沖擊載荷磨損工況下的首選材料，其原因有二：一是高錳鋼沖擊韌性高，使用安全可靠；二是高錳鋼在加載載荷的過程中，會(huì)由于孿晶誘導(dǎo)塑性（TWIP）效應(yīng)產(chǎn)生大的無縮頸均勻延伸變形[9]，強(qiáng)度逐漸升高、發(fā)生硬化，高錳鋼的強(qiáng)加工硬化特性使其在高應(yīng)力沖擊載荷磨損工況下具有優(yōu)良的耐磨性。近代耐磨材料發(fā)展迅速，各種新型耐磨材料層出不窮，但對于高應(yīng)力沖擊載荷磨損工況下的部件，如圓錐破碎機(jī)軋臼壁、大型顎式破碎機(jī)顎板等，尚無一種材料可以完全替代高錳鋼。高錳鋼的典型化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為：0.9%~1.5%C、10%~15%Mn、0.3%~1.0%Si、S≤0.05%、P≤0.10%[10]。目前，我國國家標(biāo)準(zhǔn)中共有奧氏體錳鋼10個(gè)牌號(hào)，對應(yīng)國際ISO標(biāo)準(zhǔn)的9個(gè)牌號(hào)，具體化學(xué)成分參見GB/T 5680-2010，各牌號(hào)的高錳鋼化學(xué)成分是在基本高錳鋼（Mn13）的基礎(chǔ)上，調(diào)整Cr、Mo、Ni、W合金元素含量，來改善合金性能，以適應(yīng)具體的應(yīng)用工況。

2.1.2 高錳鋼組織特征

高錳鋼的鑄態(tài)組織主要由奧氏體、碳化物和珠光體組成，有時(shí)含有少量磷共晶，碳化物常常在晶界上呈網(wǎng)狀分布，導(dǎo)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(jìn)行固溶處理，即將鋼加熱到1050~1100 ℃，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（圖1[11]），固溶處理后高錳鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性均得到大幅度提高，該熱處理技術(shù)被稱為水韌處理。

圖1   高錳鋼的典型顯微組織[11]

2.1.3 高錳鋼的強(qiáng)化機(jī)制

在受到大變形時(shí)，高錳鋼組織易發(fā)生相變，形成大范圍的堆垛層錯(cuò)、孿晶以及平面位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，具有良好的加工硬化能力，這種優(yōu)良的性能由其變形強(qiáng)化機(jī)制所決定。長期以來，對高錳鋼的強(qiáng)化機(jī)制有大量的研究報(bào)道，但目前并沒有統(tǒng)一的說法。高錳鋼的強(qiáng)化有多種機(jī)制，每種強(qiáng)化機(jī)制均有一定的證據(jù)，高錳鋼的強(qiáng)化或許就是多種機(jī)制同時(shí)起作用。

（1） 形變誘發(fā)馬氏體相變強(qiáng)化機(jī)制。該機(jī)制將高錳鋼的強(qiáng)化原因歸于形變誘發(fā)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變（圖2[12]）。Krivobok[13]認(rèn)為變形的奧氏體中交截的切變帶提供了新的形變誘發(fā)馬氏體形核位置，形變時(shí)很容易誘發(fā)ε相變，ε相成為α‘馬氏體相變核胚有誘發(fā)馬氏體的作用，X線衍射分析證明高錳鋼存在馬氏體轉(zhuǎn)變[14]。Olson和Cohen[15]提出，應(yīng)變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變與層錯(cuò)能有關(guān)，奧氏體層錯(cuò)能較低，在形變過程中容易形成層錯(cuò)，在層錯(cuò)處會(huì)出現(xiàn)ε-馬氏體或形成形變孿晶，但并不容易出現(xiàn)α馬氏體；Choi等[16]認(rèn)為：高錳鋼中奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變有不同的方式，奧氏體可直接轉(zhuǎn)變成α-馬氏體，也可以形成層錯(cuò)后，先轉(zhuǎn)變成ε馬氏體，而后再轉(zhuǎn)變成α馬氏體，轉(zhuǎn)變方式取決于層錯(cuò)能。也有一些研究不支持該強(qiáng)化機(jī)制，高錳鋼的發(fā)明人Robert Hadfield也否定了形變誘發(fā)馬氏體理論[17]，后來Raghavan等[18]的研究也未發(fā)現(xiàn)高錳鋼硬化層中有形變誘發(fā)馬氏體產(chǎn)生。

圖2   18Mn鋼900 ℃壓縮70%、保溫3 min后吹氣快速冷卻組織取向成像[12]

（2） 孿晶強(qiáng)化機(jī)制。高錳鋼硬化是由于變形過程中形成孿晶引起的（圖3[19]）[19,20,21,22]，根據(jù)孿生機(jī)制，高錳鋼形變過程中會(huì)產(chǎn)生大量孿晶，孿晶將基體切割成很多小塊，可以鎖住位錯(cuò)，導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難，同時(shí)孿晶界可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高強(qiáng)度。高錳鋼發(fā)生變形時(shí)，高應(yīng)變區(qū)域先形成孿晶，阻止了高應(yīng)變區(qū)域內(nèi)位錯(cuò)滑移而得到強(qiáng)化，促使強(qiáng)度較低的低應(yīng)變區(qū)晶面滑移形成孿晶，從而使試樣均勻形變，推遲縮頸，提高材料整體強(qiáng)度。

圖3   不同壓縮變形量下高錳鋼顯微組織的TEM像及其電子衍射花樣[19]

（3） 位錯(cuò)強(qiáng)化機(jī)制。高錳鋼在形變時(shí)產(chǎn)生大量位錯(cuò)，形成高密度位錯(cuò)區(qū)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生強(qiáng)化[23,24,25]。文獻(xiàn)[26]認(rèn)為高錳鋼的形變加工硬化行為分階段進(jìn)行，通過晶面滑移、位錯(cuò)交割、位錯(cuò)纏結(jié)而形成胞狀結(jié)構(gòu)或亞晶粒互相鎖住，胞壁成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，足夠高的應(yīng)力使被阻擋的位錯(cuò)借助于交滑移而運(yùn)動(dòng)，同時(shí)位錯(cuò)胞數(shù)量逐漸增大、尺寸逐漸變小，對基體的割裂作用越強(qiáng)，位錯(cuò)之間的作用也越強(qiáng)。為了使高錳鋼發(fā)生進(jìn)一步的塑性變形，必須克服阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的力，需要消耗更高的能量，宏觀上表現(xiàn)為加工硬化。

除以上強(qiáng)化機(jī)制，高錳鋼強(qiáng)化機(jī)制還有動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效強(qiáng)化機(jī)制[27]、Fe-Mn-C原子團(tuán)硬化機(jī)制[28]、綜合硬化機(jī)制[29]、納米晶與非晶相鑲嵌硬化機(jī)制[30]等。

2.1.4 改性高錳鋼發(fā)展?fàn)顩r

（1） 提高加工硬化能力。為了進(jìn)一步提高高錳鋼的加工硬化能力，研究者在傳統(tǒng)高錳鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改性研究。合金化強(qiáng)化是提高高錳鋼加工硬化能力的常用技術(shù)，通過調(diào)整鋼中的Mo、Cr、Ni、V、Cu、Ti、RE、N、Nb等元素含量可以達(dá)到強(qiáng)化的目的，獲得更好的性能指標(biāo)[31,32,33]。文獻(xiàn)[34,35]利用Cr+N復(fù)合合金化的方法，對傳統(tǒng)成分的高錳鋼進(jìn)行合金化處理，降低了高錳鋼的層錯(cuò)能，使其在塑性變形中更易產(chǎn)生形變孿晶，提高了加工硬化能力，高錳鋼的強(qiáng)塑性和抗磨損性能顯著提高。在經(jīng)受循環(huán)變形過程中，Cr+N合金化處理還使得高錳鋼在低應(yīng)變幅下產(chǎn)生平面位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，而高應(yīng)變幅下產(chǎn)生形變孿晶，最終提高了其疲勞壽命[36]。C具有固溶強(qiáng)化效果，提高C含量可以提高其加工硬化能力，但C含量高會(huì)導(dǎo)致組織中碳化物增多，降低沖擊韌性。Mn元素能夠降低C原子擴(kuò)散能力，抑制碳化物形成。基于此，研究者開發(fā)了超高錳鋼[37,38]，超高錳鋼在變形的過程中，可以產(chǎn)生大量的Mn-C原子對，造成強(qiáng)烈的不對稱畸變，顯著提高了加工硬化能力和耐磨性能[39]。

（2） 表面預(yù)硬化。高錳鋼的缺點(diǎn)是初始硬度低，在低應(yīng)力磨損或磨損階段早期時(shí)磨損嚴(yán)重，為了提高高錳鋼的初始表面硬度，對高錳鋼的表面預(yù)硬化進(jìn)行了大量的研究。目前采用的表面預(yù)硬化技術(shù)主要有：電子束表面強(qiáng)化[40]、機(jī)械沖擊強(qiáng)化[41,42]和爆炸強(qiáng)化[43]等。最近，科研人員[44,45]利用表面高速重?fù)艏夹g(shù)對高錳鋼表面進(jìn)行處理，通過改變沖擊載荷和沖擊次數(shù)，在高錳鋼表面獲得了毫米級(jí)厚度的納米晶層，提高了表面硬度，并且相比于原始高錳鋼界面，納米晶具有更高的表面活性，使其更易于與空氣中的氧反應(yīng)生成一層保護(hù)氧化膜，顯著提高鋼的高溫耐磨性。

（3） 高錳TWIP鋼。高錳TWIP鋼是伴隨汽車工業(yè)發(fā)展起來的，含有Mn、Al、Si、C、N等多種元素，具有高強(qiáng)、高塑、高應(yīng)變硬化率和高能量吸收能力，可有效緩解汽車碰撞時(shí)的能量沖擊，是一種具有很大發(fā)展?jié)摿Φ钠囉娩揫46,47,48]。目前，高錳TWIP鋼主要有Fe-Mn-Si-Al系和Fe-Mn-C（-Al）系，F(xiàn)e-Mn-Si-Al鋼的強(qiáng)化機(jī)制以孿晶形成動(dòng)態(tài)細(xì)化晶粒為主，而Fe-Mn-C（-Al）系TWIP鋼中動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效可能是主導(dǎo)作用，Al元素合金化后在試樣表層下可以形成α-Al2O3，改善了TWIP鋼的延遲斷裂敏感性[49]。高錳TWIP鋼高應(yīng)變硬化率的特點(diǎn)，使其有潛力應(yīng)用于沖擊磨損工況下。

2.2 高鉻鑄鐵

2.2.1 鉻系白口鑄鐵國家標(biāo)準(zhǔn)與化學(xué)成分

鉻系白口鑄鐵在耐磨材料發(fā)展史上具有重要的地位，是繼高錳鋼之后耐磨材料發(fā)展史上的另一個(gè)里程碑。20世紀(jì)50~60年代，我國把高錳鋼作為萬能的耐磨材料使用，但工程應(yīng)用實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，高錳鋼只有在沖擊大、應(yīng)力高、磨料硬的情況下才能發(fā)揮其耐磨性，而鉻系白口鑄鐵具有很高的初始硬度，在低沖擊、低應(yīng)力磨損條件下具有優(yōu)異的耐磨性。對高鉻鑄鐵的研究從20世紀(jì)60年代開始，到80年代中后期達(dá)到頂峰，至今仍方興未艾。目前，我國鉻系白口鑄鐵形成了10個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)，具體化學(xué)成分參見GB/T 8263-2010。鉻系白口鑄鐵可分為低鉻鑄鐵，中鉻鑄鐵和高鉻鑄鐵，其中高鉻鑄鐵的含Cr量大于11% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)），可參照Fe-C-Cr三元合金的液相投影圖分析凝固相[50]。

2.2.2 高鉻鑄鐵組織特點(diǎn)

高鉻鑄鐵是一種綜合性能優(yōu)良的耐磨材料，因?yàn)镃r元素形成了高硬度的（Fe, Cr）7C3 （簡稱M7C3）型碳化物（1300~1800 HV），與普通白口鑄鐵中網(wǎng)狀碳化物Fe3C （800~1200 HV）相比，M7C3型碳化物硬度高，呈桿狀獨(dú)立分布（圖4[51]）[51,52]，基體為連續(xù)相，碳化物對基體的破壞作用大大減小，為同時(shí)提高沖擊韌性和耐磨性提供了基礎(chǔ)條件。高鉻鑄鐵的基體組織可以通過熱處理調(diào)控，以適用不同的磨損工況[52,53]，常用高鉻鑄鐵的基體組織為馬氏體和奧氏體混合組織，該組織兼具高硬度和較高韌性的特點(diǎn)。此外，高鉻鑄鐵基體含Cr量高，基體電極電位高，在腐蝕和氧化條件下也具有優(yōu)良的耐磨性[54,55,56]。

圖4   高鉻鑄鐵的典型顯微組織[51]

M7C3型碳化物是高鉻鑄鐵的主要耐磨相，目前對于M7C3的晶體結(jié)構(gòu)還存在爭議，晶體結(jié)構(gòu)有正交、六方、三方幾種說法。1935年，Westgren[57]首先提出Cr7C3結(jié)構(gòu)是六方對稱的菱形晶胞，空間群是P31c，點(diǎn)陣常數(shù)為a=1.398 nm，c=0.4523 nm。20世紀(jì)70年代Rouault等[58]根據(jù)Cr7C3結(jié)構(gòu)和Mn7C3正交結(jié)構(gòu)類似的規(guī)律，提出了2種正交結(jié)構(gòu)的Cr7C3晶體，其空間群分別是Pnma和Pmcn，并將其稱為高溫穩(wěn)定型結(jié)構(gòu)，他們認(rèn)為低溫下存在的Cr7C3是六方結(jié)構(gòu)。1980年，Dudzinski等[59]研究得到了2種屬于三方結(jié)構(gòu)的Cr7C3，空間群均為P31c，但晶胞中原子平移周期選取不同。

2.2.3 高鉻鑄鐵的磨損性能

高鉻鑄鐵的磨損性能受內(nèi)因（碳化物形態(tài)、尺寸、含量、分布和基體組織類型、相對含量等）和外因（磨損形式、受力狀況、介質(zhì)、溫度等）諸多因素影響。Larsen-Badse[60]報(bào)道：大磨料高應(yīng)力磨損條件下，碳化硅切削作用會(huì)使大尺寸碳化物碎裂、剝落，對耐磨性不利。邢建東等[52]研究了在2種磨料（硬磨料SiC和軟磨料石榴石）磨損條件下，不同基體對高鉻鑄鐵兩體和三體磨料磨損性能的影響（表1[52]），高鉻鑄鐵的耐磨性表現(xiàn)明顯不同，耐磨性受基體、碳化物和磨料硬度影響顯著，在硬磨料磨損條件下，磨料的“刻入”會(huì)導(dǎo)致粗大碳化物崩落，對磨損性能不利，而在軟磨料磨損條件下，初生碳化物不會(huì)被破壞，對提高耐磨性更有利。賀林等[61]研究了碳化物尺寸對耐磨性的影響，結(jié)果表明，在不同的磨損條件下，碳化物需要適當(dāng)?shù)某叽纾ū?[61]）。賈育丁和蘇俊義[62]對高鉻鑄鐵在濕砂橡膠輪磨損、三體磨損及沖蝕磨損條件下耐磨性的研究得到了類似的結(jié)果。Dogan等[63]研究了不同取向的M7C3對高鉻鑄鐵二體磨料磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)M7C3長軸方向與磨損面平行時(shí)較垂直時(shí)耐磨性好。因此，應(yīng)根據(jù)磨料特性、應(yīng)力條件等工況來調(diào)控高鉻鑄鐵的碳化物位向與尺寸。

表1   不同磨料磨損條件實(shí)驗(yàn)結(jié)果[52]

表2   碳化物尺寸效應(yīng)對高鉻鑄鐵耐磨性的影響[61]

高鉻鑄鐵具有優(yōu)良的沖蝕磨損性能，廣泛應(yīng)用于石油化工、水利發(fā)電機(jī)等裝備耐沖蝕磨損部件[64,65,66]。高鉻鑄鐵沖蝕磨損性能受沖蝕條件影響很大，黎志欣等[67]對高鉻鑄鐵的沖蝕磨損特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：沖擊角對高鉻鑄鐵耐磨性有顯著影響，沖擊能量在磨料和抗磨材料中的分配比例對耐磨性起著關(guān)鍵作用。但是，在含有腐蝕性介質(zhì)的酸砂漿中，高鉻鑄鐵中的共晶碳化物與其相間形成大量的相界，基體與碳化物之間存在電位差，會(huì)造成較為嚴(yán)重的相間腐蝕，因此，普通高鉻鑄鐵不適用于在高濃度酸砂漿中服役[68,69]。路富剛等[70,71]通過在普通高鉻鑄鐵中加入N元素，提了基體的電極電位，顯著提高了高鉻鑄鐵的抗沖蝕磨損性能。

2.2.4 超高鉻鑄鐵

為了提高渣漿泵過流件的使用壽命，20世紀(jì)90年代，加拿大與澳大利亞的研究人員率先開發(fā)出了C含量為4.5%~5.0%、Cr含量為30%~35%的過共晶超高鉻鑄鐵，該鑄鐵的Cr、C含量高，M7C3型碳化物含量高，體積分?jǐn)?shù)達(dá)到38%以上，使用后獲得了良好的效果[72]。21世紀(jì)初，國內(nèi)大連耐酸泵廠和石家莊泵業(yè)集團(tuán)先后開發(fā)了超高鉻鑄鐵材料，用于耐腐蝕泵上，取得了滿意的成效[73,74,75]。鄭州機(jī)械研究所開發(fā)了超高碳高鉻堆焊藥芯焊絲，獲得與摩擦面重直的桿狀M7C3型碳化物，解決了腐蝕磨損件的焊補(bǔ)問題[76]。

超高鉻鑄鐵具有顯著的組織特點(diǎn)和性能優(yōu)勢。亞共晶超高鉻鑄鐵基體為高鉻鐵素體，具有Cr的正電極電位，其M23C6型碳化物硬度較高，電極電位與高鉻鐵素體相近，因此具有優(yōu)良的耐腐蝕磨損性能。過共晶超高鉻鑄鐵鉻碳化物為M7C3型，硬度高、含量高，基體組織為馬氏體和殘余奧氏體，在嚴(yán)酷的低角度的沖擊腐蝕磨損條件下性能優(yōu)良。但超高鉻鑄鐵也存在明顯的問題，如過共晶超高鉻鑄鐵中初生M7C3型碳化物數(shù)量多，且形態(tài)過于粗大，降低沖擊韌性與耐磨性。

2.2.5 碳化物改善途徑

碳化物的特征決定了高鉻鑄鐵的耐磨性，改善碳化物主要有如下幾種途徑：（1） 控制凝固過程。在凝固過程中控制碳化物的生長，可以有效改善碳化物的形貌；噴射成形技術(shù)和半固態(tài)成形技術(shù)可以顯著減小碳化物的尺寸，使碳化物離散均勻分布[77,78]；定向凝固技術(shù)可以改善碳化物的生長方式，控制碳化物定向生長[79,80]。（2） 變質(zhì)處理。變質(zhì)處理可以改變碳化物生長的熱力學(xué)條件，優(yōu)化碳化物形貌，細(xì)化尺寸，提升高鉻鑄鐵力學(xué)性能。張承甫等[81]將變質(zhì)機(jī)理歸納為：界面能理論、界面共格對應(yīng)理論、偏析系數(shù)理論和Tashis參數(shù)等。張景輝等[82]根據(jù)化學(xué)鍵理論，計(jì)算推導(dǎo)出鍵參數(shù)函數(shù)圖，指出Li、Na、K、Rb、Ba、Cs、Sr、Ca、Ce、La、Y、Sc、Mg等元素對于小平面方式生長的合金均有變質(zhì)作用，可用于高鉻鑄鐵中改善碳化物形態(tài)、分布、細(xì)化晶粒。關(guān)于稀土、K、Na、Zn、Mg、V、Ti、B、Al等元素變質(zhì)高鉻鑄鐵有大量的研究，取得了一定的效果[82,83,84,85,86,87,88,89,90,91,92,93,94]。（3） 塑性變形。通過高溫塑性變形方法，使高鉻鑄鐵中的碳化物破碎，分布更加均勻，可以提高沖擊韌性[95,96]。（4） 熱處理。高溫?zé)崽幚砜梢允垢咩t鑄鐵中的碳化物邊角處溶解，網(wǎng)狀碳化物可變?yōu)楣铝⒎植肌⑦吘増A潤[97,98]。此外，霧化制粉后燒結(jié)成型[99,100]、合金化[101]，懸浮鑄造[102]等方法均能一定程度上改善碳化物的尺寸與形態(tài)。

2.3 高釩高速鋼

2.3.1 高釩高速鋼的化學(xué)成分

高釩高速鋼是在傳統(tǒng)高速鋼的基礎(chǔ)上，通過降低W元素含量，提高V元素含量，適量添加Mo、Cr、Nb等元素后形成的新鋼種。表3[103,104,105,106,107,108]為幾種性能較好的高釩高速鋼的化學(xué)成分。從化學(xué)成分和顯微組織上看，高釩高速鋼屬于白口鑄鐵范疇。但是由于它是高速鋼中在提高V含量，減少W、Mo含量的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的，故國內(nèi)外學(xué)者習(xí)慣上稱之為“高釩高速鋼”。目前，高釩高速鋼已在軋鋼、水泥、建材等行業(yè)成功應(yīng)用，但尚未形成完善的國家標(biāo)準(zhǔn)。

表3   高釩高速鋼化學(xué)成分[103,104,105,106,107,108] （mass fraction / %）

2.3.2 高釩高速鋼的凝固組織

大城桂作[109]研究了Fe-5Cr-V-C四元系初晶投影圖（圖5[109]），當(dāng)V含量超過約5%時(shí)，調(diào)整C含量即可得到初生VC，但V含量較低時(shí)，得到初生VC要求的C含量較高，且VC的量較少，為得到大量初生VC，V含量需大于8%，C含量需大于2.5%[110]。周宏等[111]研究了不同V、C含量高速鋼的凝固組織和相組成，建立了（Fe-5Cr-5Mo-5W-2C）-V準(zhǔn)二元相圖（圖6[111]）。彭濤等[112]建立了（Fe-5Cr-2Mo-9V）-C的準(zhǔn)二元相圖（圖7[112]），徐流杰[113]分析了不同C含量高釩高速鋼（含V約9%）的凝固過程。含C量為1.58%時(shí)，凝固過程中先析出鐵素體（L→F），隨后發(fā)生共晶反應(yīng)析出VC，VC多呈條狀沿鐵素體晶間分布。含C量達(dá)到1.90%時(shí)，初生相仍為鐵素體，但鐵素體中固溶的V含量減少，晶間分布的桿狀共晶碳化釩量增加。含C量達(dá)到大約2.23%~2.58%后，當(dāng)合金液冷至液相線溫度時(shí)，液相中首先析出初生VC （L→VC）。隨著溫度的降低，VC不斷析出，使得液相中V的含量降低，液相成分向γ+MC的共晶線方向變化，當(dāng)液相中V含量降至共晶成分點(diǎn)時(shí)，將以L→γ+MC的共晶反應(yīng)繼續(xù)凝固。隨著凝固過程的繼續(xù)進(jìn)行，液相不斷減少，由于偏析，液相中Mo、Cr等含量升高，當(dāng)Mo、Cr的含量足夠高時(shí)，液相將發(fā)生三元共晶反應(yīng)L→γ+VC+M2C。當(dāng)C含量達(dá)到2.82%~2.92%后，其初生相和二元共晶反應(yīng)與C含量為2.23%~2.58%時(shí)類似，繼續(xù)冷卻，最終將會(huì)發(fā)生多元共晶反應(yīng)L→γ+VC+M2C+M7C3。因此，高釩高速鋼中的V元素可以形成初生碳化釩、二元共晶碳化物和多元共晶碳化釩。根據(jù)V、C含量不同，基體組織可為馬氏體、奧氏體、鐵素體或混合組織。

圖5   Fe-5Cr-V-C、Fe-15Cr-V-C及Fe-5Cr-5W-5Mo-V-C 液相面投影圖[109]

圖6   （Fe-5Cr-5Mo-5W-2C）-V準(zhǔn)二元相圖[111]

圖7   （Fe-5Cr-2Mo-9V）-C 的準(zhǔn)二元相圖[112]

高釩高速鋼中的碳化釩是以VC為主體，微區(qū)存在V8C7及V6C5結(jié)構(gòu)的混合體。在VC上分布著大量納米級(jí)的顆粒，可能與C元素缺位形成V8C7及V6C5有關(guān)[114]。凝固過程中析出的碳化釩形態(tài)多樣，主要有：團(tuán)球狀、塊狀、開花狀、條狀、短桿狀、蠕蟲狀，分布形式有3種：晶間分布、菊花狀分布、均勻分布；合金為亞共晶成分時(shí)，碳化釩沿晶間分布；共晶成分時(shí)，呈菊花狀分布；過共晶成分時(shí)，呈均勻分布[110]。

2.3.3 熱處理工藝

高釩高速鋼的性能與熱處理工藝關(guān)系密切。由于與傳統(tǒng)的高速工具鋼在成分、制備工藝等方面存在著較大的差別，新型高釩高速鋼不能照搬傳統(tǒng)高速工具鋼的熱處理工藝。周宏等[115]研究了高碳高釩高速鋼的淬火、回火熱處理及高溫硬度，發(fā)現(xiàn)峰值硬度溫度較常規(guī)高速鋼低150~250 ℃，隨C含量增加，峰值硬度溫度降低；相同C含量時(shí)，V含量增加，峰值硬度溫度升高。隨C、V含量的增加，高溫硬度增加。回火后的硬度變化和常規(guī)高速鋼呈相同的趨勢，高碳高釩高速鋼的淬火溫度建議為950~1100 ℃，回火溫度530~550 ℃，一次回火即可。Lee等[116]研究了回火溫度對高速鋼軋輥的耐磨性和抗表面粗糙性的影響，高速鋼軋輥在540 ℃回火具有最好的耐磨性，但抗表面粗糙性差，而采用570 ℃回火抗表面粗糙性好，耐磨性也較好。魏世忠等[108]改變高釩高速鋼淬火加熱溫度和回火溫度獲得不同殘余奧氏體量，建立了關(guān)于淬火、回火溫度的等奧氏體曲線（圖8[108]）。Xu等[117]建立了殘余奧氏體含量、硬度與淬火溫度、回火溫度之間的關(guān)系，獲得了最佳的熱處理工藝為：1000~1050 ℃空冷淬火，然后530~560 ℃回火（圖9[117]）。

圖8   等奧氏體曲線[108]

圖9   殘余奧氏體、硬度與淬火溫度、回火溫度之間的關(guān)系模型[117]

2.3.4 高釩高速鋼的磨損性能

高釩高速鋼因含有大量高硬度的VC而具有優(yōu)良的耐磨性。目前，已對高釩高速鋼的磨粒磨損、沖擊磨損、滾動(dòng)磨損、滑動(dòng)磨損、滾滑動(dòng)磨損性能進(jìn)行了大量研究。新日鐵研制出的高釩高速鋼軋輥，壽命為高鉻鑄鐵輥的3~7倍[118,119]。隨后，歐美各國鋼鐵企業(yè)也紛紛開發(fā)使用高速鋼軋輥，獲得了滿意的使用壽命[120,122]。宮開令等[123,124]發(fā)明的高速鋼軋輥基體上分布著大量的高硬度MC型和M6C型碳化物，耐磨性為高鉻鑄鐵的3倍左右，為高鎳鉻復(fù)合軋輥的5~7倍。文獻(xiàn)[125,126,127,128,129]研究了高釩高速鋼的磨粒磨損性能，結(jié)果表明，C、V含量、熱處理工藝和殘余奧氏體量均對高釩高速鋼的磨粒磨損性能有顯著影響，高釩高速鋼的相對耐磨性可以達(dá)到高鉻鑄鐵的3倍以上、高錳鋼的8倍，磨粒磨損失效形式為顯微切削，VC失效以剝落為主。文獻(xiàn)[130,131]研究了高釩高速鋼的沖擊磨損性能，高釩高速鋼的相對耐磨性為高鉻鑄鐵的2.1倍、高錳鋼的2.8倍，沖擊磨損機(jī)理主要為基體受到的顯微切削，導(dǎo)致碳化物脫落，基體受到顆粒的蠶食作用而不斷磨損。在滾動(dòng)磨損條件下，高釩高速鋼的相對耐磨性是高鉻鑄鐵的4倍以上[132]，其主要失效形式為裂紋萌生后擴(kuò)展到磨損的表面，造成片狀或塊狀剝落而磨損，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到VC側(cè)面時(shí)，擴(kuò)展速度減慢或停止[133,134]。文獻(xiàn)[135,136]研究了高釩高速鋼的干滑動(dòng)磨損行為，發(fā)現(xiàn)高釩高速鋼耐磨性好，當(dāng)壓力為500 N時(shí)，高釩高速鋼的耐磨性是高鉻鑄鐵的3倍以上，失效機(jī)理主要為疲勞磨損、顯微切削、磨料磨損的復(fù)合，并伴有碳化物脆性碎裂及脫落。在滾滑動(dòng)磨損下，高釩高速鋼磨損性能受滑動(dòng)率影響較大，其相對耐磨性為高鉻鑄鐵的2倍以上，磨損是由滾動(dòng)和滑動(dòng)復(fù)合作用所致，其失效機(jī)理表現(xiàn)為顯微切削犁溝和疲勞剝落復(fù)合[137,138,139]。

高釩高速鋼作為新一代耐磨材料，具有優(yōu)良耐磨性的原因?yàn)椋海?） 耐磨相VC硬度高，能有效抵抗磨損過程中硬磨粒劃傷，VC形態(tài)好，與高鉻鑄鐵中的M7C3相比，在磨損應(yīng)力的作用下不易彎曲、碎裂，能有效地保護(hù)基體（圖10[113]）；（2） VC與奧氏體基體間存在界面共格關(guān)系，界面結(jié)合強(qiáng)度高，磨損過程中VC不易脫落（圖11[113]）；（3） 高釩高速鋼經(jīng)熱處理后可以獲得兼具高硬度和高韌性的馬氏體與奧氏體雙相復(fù)合組織，能對VC提供良好的支撐，充分發(fā)揮VC作為抗磨相的作用。

圖10   滾滑動(dòng)磨損條件下磨損正切面照片[113]

圖11   高釩高速鋼顯微組織[113]

3 鋼鐵耐磨材料發(fā)展展望

鋼鐵耐磨材料的發(fā)展具有階段性，20世紀(jì)是鋼鐵耐磨材料發(fā)展的高峰期，并形成了完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，我國耐磨材料已形成了國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)三大標(biāo)準(zhǔn)體系。今后，耐磨材料標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該針對特殊領(lǐng)域出現(xiàn)的新材料、新技術(shù)快速更新，并制訂先進(jìn)的耐磨材料系列標(biāo)準(zhǔn)以引領(lǐng)耐磨材料行業(yè)的發(fā)展。鋼鐵耐磨材料從抵抗磨損的組相方面可以分為兩大類：一類是依靠基體的耐磨材料，另一類是依靠第二相強(qiáng)化的耐磨材料。第一類材料的代表為奧氏體錳鋼和馬氏體耐磨鋼，提高其耐磨性的途徑主要為：獲得強(qiáng)韌性的基體組織，細(xì)化亞結(jié)構(gòu)。近年來發(fā)展起來的納米貝氏體鋼具有更高的韌性，在硬度略低于馬氏體鋼的前提下，表現(xiàn)出更高的耐磨性[140,141,142,143]，貝氏體組織中的部分殘余奧氏體在磨損過程中會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，也有利于提高貝氏體鋼耐磨性[144]。第二類材料的代表為高鉻鑄鐵，近年來發(fā)展的高釩高速鋼、陶瓷強(qiáng)化鋼鐵復(fù)合材料也是利用更強(qiáng)的耐磨相來提高耐磨性[145,146,147,148]。

未來高性能耐磨材料應(yīng)具備3個(gè)要素：（1） 高強(qiáng)韌基體。高強(qiáng)韌基體不僅自身可以更好地抵抗磨損，也能對高硬度耐磨相提供更有效的支撐作用；（2） 優(yōu)質(zhì)的耐磨相。耐磨相要硬度高、形態(tài)好，在基體中分布均勻；2種尺度的耐磨相組合強(qiáng)化，微米尺度的耐磨相抵抗磨損，納米尺度的耐磨相強(qiáng)化基體，可以借助耐磨材料基因組工程高通量計(jì)算和高通量實(shí)驗(yàn)預(yù)測、合成新型的高性能耐磨相；（3） 耐磨相與基體的良好結(jié)合。冶金結(jié)合的界面，特別是耐磨相與基體存在共格界面時(shí)，界面結(jié)合強(qiáng)度高，對基體強(qiáng)化效果好，磨損過程中耐磨相不易脫落，可以更好地保護(hù)基體。