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低合金耐磨钢 (wear-resisting low-alloy steel)
以磨损作为主要失效方式的工况下使用的低合金钢。主要分为低合金焊接耐磨钢、工程机械零件用低合金耐磨钢和农业机械用低合金耐磨钢。
低合金焊接耐磨钢是在低合金高强度焊接钢的基础上发展起来的钢种。日本、美国、德国和前苏联等国曾将抗拉强度590～’785MPa级的高强度钢板广泛用于矿山机械和工程机械的耐磨部件的制造。为了进一步提高经受强烈磨损构件的使用寿命，20世纪70年代以来，又开发了低合金高硬度钢板，这类钢的特点是硬度高(布氏硬度可达到HB500)，且具有可焊性。通常采用轧制方法使这类钢成为钢板或型钢，然后通过焊接成为构件。它主要用于煤矿括板输送机的中部槽底板、矿山机械的耐磨衬板、护板、大型自卸车箱斗用衬板等等。日本等国的一些钢铁公司已将这类钢编成系列，形成标准。例如，日本新日铁公司的高硬度钢有16个牌号，日本钢管公司有10个牌号、日本住友金属公司有5个牌号。这些钢的碳含量一般不超过0.21％～0.24％(要求达到布氏硬度HB≥400～500时，碳含量≤0.35％)，通常都采用锰和硼作为主要强化元素，锰含量不超过1.6％～1.7％，硼含量≤0.005％。当钢板较厚或有其它性能要求时，需要同时加入铬、钼、钒、铜、镍等元素。例如，日本新日铁公司的WEL-TENAR235E～AR360E钢中的主要元素为碳≤0.22％、锰≤1.60％、硼≤0.005％、铬≤0.50％。而另一组的WEL-TENAR235～AR400，则除了含锰、硼、铬外，还含有铜0.15％～0.50％、镍0.40％～1.50％、钼0.15％～0.60％、钒≤0.10％。它们的硬度可以分别达到HB≥235～361或HB≥235～401。板厚可达50或100ram。表1中列举了两种低合金耐磨钢的化学成分和力学性能。在湿砂磨损试验中，与低碳钢试样比较，不同低合金耐磨钢试样的失重可减少20％～75％。
表1 两种低合金耐磨钢的化学成分和力学性能
| 牌号 | 化学成分/ ％ | 力学性能 | |||||||||||
| C | Si | Mn | P | S | Cu | Cr | Mo | 其他 | σs/MPa | σb/MPa | v缺口冲击 | 硬度HB | |
| VE0/J | |||||||||||||
| WEL-TEN | 0.16 | 0.22 | 0.82 | 0.019 | 0.005 | 0.26 | 1.02 | 0.45 | B0.002 | 1029 | 1117 | 33 | 335 |
| AR320C | |||||||||||||
| WEL-TEN | 0.17 | 0.25 | 0.85 | 0.019 | 0.007 | 0.18 | ’0.80 | 0.43 | B0.002 | 1078 | 1274 | 24.5 | 380 |
| AR360C | V0.04 | ||||||||||||
这类低合金耐磨钢生产的主要流程为：
工程机械零件用低合金耐磨钢推土机、装载机等是工程机械中的主体机械，由于它们大都是以泥砂、岩石为作业对象，尤其是履带推土机、装载机(含挖掘机)的行走机构和工作装置，其零部件都受到强烈的磨料磨损。对推土机的故障分析表明，推土机从新车到报废，行走机构零部件的修理、更换费用约占总修理费用的60％，而因磨损造成的修理费又在其中占主导地位。这类工程机械的主要易磨损件有履带板、链轨节、销套、驱动轮、引导轮、支重轮、刀片、斗齿(斗刃)、松土器齿等等。所采用的材质多为中碳的锰钢或锰硼钢，根据需要有时也加入硅、铬、镍、钼等合金元素。用轧、锻或铸成型，热处理时，在保证工件整体的强度和韧性的同时，较注重提高工件表面层的硬度。表2中列出了日本推土机、装载机行走机构和工作装置易磨损件常用钢牌号的主要化学成分、热处理方式和硬度。
农业机械用低合金耐磨钢农机具中的犁铧、耙片、锄铲等在工作时，受到土壤、石块颗粒和根茎的不断摩擦而磨损，且经常与砂石块、树根等相撞而可能造成折断或崩刃，因此，要求它们有较高的耐磨性以及足够的强度和韧性。表3中列出了一些国家农机具用低合金耐磨钢的化学成分。表4是典型农机具低合金耐磨钢零件的热处理和硬度值。低合金犁铧钢的力学性能如表5所示。犁铧的使用寿命决定于犁铧的硬度、强度、热处理质量以及土壤的结构和性质。提高材料硬度是改善农机具耐磨性的主要途径。根据室内试验结果，不同钢材的硬度、回火温度与相对耐磨性的关系如图3和图4所示。
表2 日本推土机、装载机中易磨损件用钢种的主要化学成分和热处理方式
零件名称 | 磨损类型 | 钢 种 | 主要化学成分／％ | 热处理 | 硬 度 |
履带板 | 凿削式 Mn-B钢 | SMn433H型钢 (C0.35-6，：Mn1.70，Si Cr：MoB型钢) | C0.33，Mn1.3 C0.35，Mn1.70 C0.30，Sn.75，Cr0.6， Mo0.15 | 喷水淬火，回火 | 筋部HRC40～49- 板体}IRC32～40 或板体筋部 HRC46～52 |
链轨节 | 磨削式 | SMn443H锻件 SCM435H锻件 Mn-B锻件 SiCr-Mo锻件 | C0.43，Mn1.55 C0.36，Cr1.0，Mo0.25 C0.37，Mn1.1，B0.0017 C0.33～0.43，Si0.3～0.85， Mn0.65～0.85，Mo0.15～0.35 Cr0.9～1.2 | 水淬、回火，轨面感应淬火 油淬、回火，轨面感应淬火 水淬、回火，轨面感应淬火 | 轨面l-IRC55 基体HB321 |
销套 | 磨削式 | SC；M415H钢管 Mn-B钢管 | C0.15，Cr1.0， C0.17，.Mn1.05，B0.0015 | 渗碳，淬火，回火 | 表面HRC61 心部HRC38 |
驱动轮 | 磨削式 | SMnH钢锻件 SiMn铸钢件 Mn-B锻件 SiCiMo铸钢件 | C0.33，Mn1.30 C0.44，Si0.5，Mn1.1 C0.37，Mn1.1，B0.0017 C0.43～0.47，Cr0.9～1.2， Si0.3～0.85，Mn0.6～0.85， Mo0.15～0.35 | 喷水淬火，回火 | 表面ItRC50 |
引导轮 | 磨削式 | SiMn铸钢件 S38C轮缘 S17C轮毂 | C0.44。Si0.5，Mn1.1 | 退火，工作面感应淬火 | 工作面HRC56 |
支重轮 | 磨削式 | SMn3H Mn-B钢锻件 | C0.42，Mn1.5 C0.37，Mn1.1，B0.0017 | 喷水淬火，回火 | 工作面HRC55 |
侧刀片 | 凿削式 | MnMo铸钢件 SiCrMoB钢锻 MnB铸钢件 高si铸钢件 | C0.31，Mn1.4，Mo0.25 C0.30，Si1.75，Cr0.6， Mo0.15，B0.002 C0.35，Mn1.1，B0.0017 C0.44，Si2.2，Cr1.0 | 喷水淬火，回火 油淬，回火 | 表面HRC45~52 HRC54 |
主刀片 | 凿削式 | SMn433H轨材 Mn-B钢轧材 | C0.33，Mn1.3 C0.35，Mn1.1 | 水淬，回火 喷淬，回火 | 表面HRC48 |
松土器齿 | 凿削式 | CrMnMo铸钢件 sicrMoB锻件 (SHSC-H。) NicrMoB锻件 SNCM439锻件 | C0.30，Mn1.45，Cr0.45。 Mo0.5 C0.30，Si1.75，Cr0.6， Mo0.15 C0.26，Ni0.5，Cr0.45， Mo0.17 C0.39，Ni1.8，Cr0.8， Mo0.22 | 喷水淬火，回火 油淬，回火 | 表面HRC48 |
斗 齿 | 凿削式 | 低锰铸钢件 MnCrMo铸钢件 | C0.33，Mn1.5 C0.30，Mn1.45，Cr0.45， Mo0.22 | 喷水淬火，回火 水淬回火，火焰淬火 | 表面HRC47~52 |
表3
牌 号 | 化学成分/％ | 备 注 | ||||||
C | Si | Mn | S | P | Cr | RE (加入量) | ||
65Mn | 0.62～0.70 | 0.17～0.37 | 0.90～1.20 | ≤0.040 | ≤0.040 | ≤0.25 | 中国 | |
41Mn2SiRE | 0.37～0.44 | 0.60～1.0O | 1.40～1.80 | ≤0.040 | ≤0.040 | 0.15 | 0.15 | 中国 |
55SiMnCuRE | 0.50～0.60 | 0.80^_1.10 | 0.90～1.25 | ≤0.040 | ≤0.040 | 0.10～0.20 | 0.10～0.20 | 中国 |
65SiMnRE | 0.62～0.72 | 0.90～1.20 | 0.90～1.20 | ≤0.040 | ≤0.040 | ≤0.20 | 0.20 | 中国 |
En45 | 0.50～0.60 | 1.50～2.00 | 0.75～1.00 | ≤0.035 | ≤0.035 | 英国(如犁铧) | ||
45MnSi5 | 0.44 | 1.41 | 0.75 | 德国(如野猪牌犁铧) | ||||
表4
典型零件名称 | 选用牌号(中国) | 推荐的热处理规范 | 硬度(HRc) | 备 注 |
犁 铧 | 65Mn | 830℃±10℃淬火 280℃±10℃回火 | 52～60 | 65SiMnRE的使用 寿命比65Mn约 高25％～50％ |
65SiMnRE | 820℃土10℃淬火 240℃±10℃回火 | 52～60 | ||
旱田耙耙片 | 65Mn 65SiMnRE | 780～820℃油淬 420～450℃回火水冷 | 50～60 | |
水田耙耙片 | 65Mn | 800～830℃油淬 450～500 uC回火水冷 | 38～44 | |
耕机锄铲 | 65Mn | 780～830℃淬火 300～350℃回火 | FIB400～500 | |
推土机铲刀 | 55SiMnCuRE | 淬火，回火 | ||
拖拉机履带板 | 41Mn2SiRE | 850℃±10℃淬火 400～450℃回火 | 38～45 | 耐磨性比45号 钢提高50％ |
表5
牌号 (中国) | 抗拉强度 dh/MPa | 屈服强度 d0/MPa | 伸长率 85/％ | 断面收缩率 /％ |
65SiMnRE | 882 | 588- | 10 | 20 |
65Mn | 735 | 431 | 9 | 30 |
(纵坐标为：相对耐磨系数ε；横坐标为硬度（HV）)
图1 不同钢材经淬火、回火处理后硬度与相对耐磨系数的关系
1-T10；2-65Mn；3-65钢
展望 从生产工艺上着手提高使用性能是低合金耐磨钢的主要发展趋势。例如，从冶炼上采取精炼措施，减少钢中的夹杂物和气体含量，改变夹杂物的形状和分布，对提高耐磨性有利。20世纪80年代以来，日本等国在低合金耐磨钢板的生产中比较注重采用钢板轧后直接淬火法取代传统的再加热淬火法，这样做不仅节约能源，而且能提高钢的淬透性，从而可以减少加入的合金元素种类及含量。同时，相应发展了Mn—B或Ti—B系钢类，取得了降低钢板成本与改善其工艺性能的良好效果。在工程机械和农业机械用低合金耐磨钢件的生产中，在保证工件整体强韧性的条件下，比较注意在工件表面或特定部位采用强化(硬化)措施，如实行中、高频淬火和化学热处理工艺等。在锻造成型的零件中常采用锻造余热淬火或形变热处理方法，可显著提高工件的强韧性与耐磨性能。
(纵坐标为：相对耐磨系数ε；横坐标为回火温度)
图2 相对耐磨系数与回火温度的关系
1-65SiMnRE；2-65SiMn；3-65Mn；4-65钢
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