耐磨钢的发展简史

    耐磨钢是广泛用于各种磨损工况的一类合金钢，100余年来新的耐磨钢钢种层出不穷，其冶炼、铸造、热处理和机加工工艺不断改进，耐磨钢的综合力学性能、耐磨性能和使用寿命逐步提高，其应用领域日渐扩大。当我们回顾耐磨铸钢的历史，我们会为同行前辈们的丰功伟绩而骄傲，当我们认识耐磨钢的现状，我们将从中获得启迪，找寻不足，明确本行业的希望和未米的发展方向。 了解耐磨钢的历史发展，应从合金钢的发展说起。
    伟大的发明家Faraday不仅在电磁感应及电化学方面为世界的现代文明作出了重要的贡献，他还是一位伟大的冶金学家，他被称为发展合金钢的先驱〔1--3]0 Faraday在英国皇家学院工作期间，与Stodart一起在1820年发表了论文“改善钢的合金试验”，在1822年发表了论文“论钢的合金”。这两篇关于合金钢的论文后来被世人称为合金钢历史初期的重要贡献。Faraday在1820--1822年间试验研究了加人铜、镍、铬及贵金属元素的钢，这一研究虽然在当时没有产生什么直接意义的结果，但其系统的试验对后来的合金钢发展具有启发性并有着深远的意义[[3]。后来人们逐渐认识到Faraday的工作在合金钢发展史上的重要地位，因而推崇他为合金钢研发的先驱。
    第二位代表人物是Mushet，他在1868年研发出高钨自淬工具钢即Mushet 特殊钢，其特点是不需要淬火而具有高的硬度，用该钢制造的刀具车削速度和使用寿命均比碳素钢刀具高很多。在此基础上高碳合金工具钢得到发展，经过后人们不断改进，在1906年研发出今天仍在使用的W18Cr4V型高速钢。
    Faraday和Mushet被后人公认在合金钢方面做了一些开创性的试验研究工作，但这只能说是现代合金钢的前奏[[31，而英国人Hadf ield才是现代合金钢的奠基人。Hadfield在1882年9月发明了耐磨高锰钢(又称Hadf ield高锰钢)，在 1884年又发明了制造硅钢片的硅钢，这两种有特殊性能的新合金钢的出现，为世界进入现代合金钢时代揭开了序幕。Hadf ield堪称是伟大的发明家，他在1882 年研制的耐磨高锰铸钢主要成分是w(C)二1.35%，w(Si)二0.69%, w(Mn)= 12.76%，其主要特点是有很好的韧性而且越磨越硬。1892年高锰铸钢首次被工业应用，在电车轨道的道岔上试用成功，之后100余年耐磨高锰铸钢得到了广泛的应用，至今仍在许多大冲击强磨损工况应用而不能被替代，如用做圆锥式破碎机轧臼壁和破碎壁，大型M式破碎机z板等，而且百年前的成分与今相仿，不能不说是合金钢史上的奇迹。由于Hadf ield钢是耐磨高锰铸钢，因而Hadfield也是现代耐磨钢的奠基人。真正的现代耐磨钢发展始于1882年。
    中、高碳低合金和中合金耐磨钢的发展则是与合金结构钢的发展相伴的。中碳合金结构钢的出现是从19世纪末镍钢的研制开始的，1878-1888年间，法国的冶金学家冶炼出镍合金钢，此后各种中碳合金结构钢相继出现。20世纪初典型的4340 (40NiCrMo)合金钢(w(C)=0.4%，二(NO=1.65%一2.00%,w(Cr)=0.70% -0.90%, w (Mo) = 0.20% ---0.30%)即开始应用直到现在。中、低合金耐磨钢的发展借鉴了合金结构钢的化学成分，但在制备工艺方面有较多的改进，特别是热处理工艺与合金结构钢有较大的不同，大多采用淬火后低温回火的热处理工艺，以获得高强度、高硬度和一定韧性的配合，以满足耐磨损的要求。中、低合金耐磨钢的发展还有一个显著的特点，那就是在许多磨损工况特别是中低冲击或无冲击的磨损工况逐渐替代了高锰钢并表现出卓越的性能价格比，这也是中低合金耐磨钢得以广泛应用的重要原因。以水泥厂球磨机耐磨衬板为例，20世纪60年代及其之前绝大多数衬板采用高锰铸钢，进人70年代以后，逐渐使用了中碳低合金耐磨钢。
    在国外中、低合金耐磨钢多为Cr, M。或Cr, Ni, Mo系合金钢，在我国曾有一段时间着力开发符合我国合金资源情况的Si, Mn系合金钢，其典型钢种是30Si2Mn。但随着国内外技术交流的扩大和生产实践的总结，人们逐渐意识到采用多元合金化是提高耐磨钢淬透性、强韧性和硬度的行之有效的方法，因而近些年的中、低合金耐磨钢大多采用了Cr, Mo, Ni, Si, Mn多元合金化。 我国在20世纪80年代之后大力开展了中、低合金耐磨钢的研制和工业应用工作，取得了一系列成果，较典型的耐磨钢种是30CrMnSiMoNi和Cr5 Mo钢，用于制造球磨机衬板、锤破机锤头及挖掘机斗齿等典型耐磨件，获得了良好的经济效益。这一时期我国的许多单位还开展了V, Ti, Nb,RE,B等微量元素在耐磨钢中的应用研究，进一步提高了耐磨钢的综合性能。
    在奥氏体锰钢的发展过程中，除了Mn13系列高锰钢，中锰钢(w(Mn)二 6%-8%, w(Mo) =0.9%一1.2%)和Mn17系列高锰钢(w(Mn)=16%一19%) 也得到发展。美国的Climax铝公司在20世纪70年代发展了中锰钢，该钢以牺牲一些韧性换取高的加工硬化性能，用于冲击不太大的磨损工况，该钢种早已列人美国ASTM标准并在1999年列人ISO奥氏体锰钢铸件标准。Mn17系列高锰钢更适于厚大铸件的生产，以高的韧性和加工硬化能力得以应用，该钢种在 1999年被列人IS(〕奥氏体锰钢铸件标准。
随着耐磨钢的发展，近些年用于特殊磨损工况的耐磨钢逐渐引起人们的注意，如高温氧化磨损工况下使用的耐热耐磨钢，湿态腐蚀磨损工况下使用的耐蚀耐磨钢等，其研制和工业应用已取得了一些成效，但相对奥氏体锰钢和中低合金耐磨钢而言还有待深人的试验研究和进一步推广应用。