铸造耐磨材料行业
1、 国内外发展现状及趋势
磨损是材料与装备三大失效方式之一。材料磨损以磨料磨损最为严重，本规划所述的铸造耐磨材料及耐磨钢铁铸件主要指用于磨料磨损工况的材料和零部件。
1.2铸造耐磨材料行业技术研究现状及发展趋势
现已构成技术系列并已工程化和产业化的铸造耐磨材料及其技术分为以下5大类：①奥氏体锰钢（含Mn13钢系列、Mn17钢系列、Mn25钢和Mn7钢系列）；②耐磨损白口铸铁（含高铬、中铬、低铬白口铸铁系列）；③非锰系耐磨损合金钢（奥氏体锰钢之外的耐磨合金钢）；④耐磨损球墨铸铁；⑤耐磨损钢铁复合材料。
铸造耐磨材料及耐磨铸件的主要特点是硬度高、强度高和韧性高，根据硬度、强度和韧性的匹配组合，铸造耐磨材料及耐磨铸件可用于冲击磨料磨损、高应力碾碎磨料磨损、低应力冲刷磨料磨损、粘着磨损等工况，另据其抗高温和耐腐蚀特性可用于高温磨料磨损和腐蚀磨料磨损工况。
铸造耐磨材料及耐磨铸件主要用于冶金、建材、电力、建筑、机械、国防、船舶、铁道、煤炭、化工和石化工业中的磨损工况，特别是用于冶金工业采矿挖掘机和破碎机，选矿磨矿机（球磨机），金属轧机；电力工业火电厂磨煤机；建材工业水泥厂球磨机，采石厂破碎机和挖掘机等。球磨机磨球与磨段；球磨机衬板；破碎机耐磨件；斗齿类耐磨件；杂质泵过流件与耐磨管道；铸造轧辊与辊环等6大类耐磨件是目前市场用量较大的耐磨件。
1.2.1铸造钢铁耐磨材料
（1）奥氏体锰钢。目前奥氏体锰钢还是国内用量最大的一类耐磨钢。国内生产和应用的奥氏体锰钢以Mn13系列和Mn17系列为主，其中屈服强度和耐磨性较高的Mn13Cr2和Mn17Cr2耐磨钢的市场用量较大。奥氏体锰钢以高韧性、易加工硬化和一定强度为主要特点，迄今在大冲击载荷磨料磨损工况，如圆锥式破碎机轧臼壁和破碎壁，旋回式破碎机衬板、电铲铲齿、大中型颚式破碎机颚板、大型锤式破碎机锤头以及大中型湿式矿山球磨机衬板等仍主要选用奥氏体锰钢。奥氏体锰钢的标准化工作起步较早，我国在原高锰钢铸件国家标准的基础上，借鉴奥氏体锰钢铸件国际标准，制修订了《奥氏体锰钢铸件》（GB/T5680—2010）国家标准，同时修订了与《奥氏体锰钢铸件》国家标准配套使用的《铸造高锰钢金相》（GB/T13925—2010）国家标准。为指导批量生产和保证技术要求，结合我国生产实际，我国《奥氏体锰钢铸件》国家标准修改了金相试样取样要求，由原来规定金相组织检验可在铸件或单独铸出力学性能用试块中进行，修改为应在铸件或其附铸试块上进行，提高了技术要求。增加了晶粒度要求，显微晶粒度级别数不小于2为合格，有助于保证锰钢铸件质量。规定力学性能试样取自浇注铸件时单独铸出试块，也可在铸件或铸件附铸试块上切取。规定金相组织、力学性能、弯曲性能、无损探伤检验中的一项或多项作为产品验收的必检项目，并规定了ZG120Mn13的冲击吸收能量KU2≥118J，ZG120Mn13Cr2的断后伸长率≥20%，以体现高锰钢的高韧性特点。新修订的《铸造高锰钢金相》国家标准修改和明确了金相试样取样和观察位置，将原标准中金相试样在试块上制取也可在铸件上切取，修改为“试样在铸件或其附铸试块上切取，也可直接在铸件上做金相观察”。这一要求限制了在单铸试块上制取金相试样的情况，从而使本标准规定的显微组织以及碳化物、晶粒度和非金属夹杂物级别更符合生产条件下高锰钢铸件的实际情况，此为有效控制和检测高锰钢铸件质量创造了条件。
控制P、Si、O、H含量是锰钢件生产的关键技术。近年奥氏体锰钢的主要技术进步之一是在生产过程中严格控制影响性能的Si和P含量，特别是含P量的限制，我国国家标准严格规定P≤0.06%，某些出口锰钢件已要求P≤0.04%；另一进步是某些企业已在生产过程中通过精炼和造渣聚渣控制锰钢中氢、氧含量，例如Mn18Cr2钢轧臼壁控制〔O〕≤15×10-6、〔H〕≤2×10-6；另外为减少铸造高锰钢晶粒易粗大和柱状晶现象，V、Ti、Nb、B和RE等微量元素常被加入高锰钢；含W高锰钢实现晶粒细化进而同时提高冲击韧性和抗冲击磨损性能；常被称为超高锰钢的Mn17(Mn18)和Mn25等高锰钢得到生产和应用，其中标准含碳量的ZG120Mn17、ZG120Mn17Cr2还被列入了奥氏体锰钢铸件国家标准。超高锰钢有利于解决厚大断面锰钢水韧处理后内部易出现碳化物而降低韧性的问题，也利于解决锰钢件低温工况使用可能脆断的问题。但在不同冲击载荷磨料磨损工况下超高锰钢的耐磨性和性价比，以及相关的Mn、C和Mn/C选择等关键问题还有待深入研究和不同工况广泛应用实践的验证。并非超高锰钢耐磨性一定高于普通高锰钢，近期研究表明，超高锰钢较适用于强烈冲击载荷磨料磨损工况。在不降低冲击韧性的情况下提高耐磨性是奥氏体锰钢发展的一个重要方向。
我国部分高锰钢生产企业易出现的问题是，锰钢件夹渣物较多、碳化物超标、晶粒粗大、冲击吸收能量达不到国标要求，以至于某些铸件在使用中开裂和耐磨性不够，这也是我国部分高锰钢件与工业发达国家所生产高锰钢件的主要差距。相关企业须从生产工艺控制入手，解决质量问题。
奥氏体锰钢铸件典型牌号是ZG120Mn7Mo1、ZG110Mn13Mo1、ZG100Mn13、ZG120Mn13、ZG120Mn13Cr2、ZG120Mn13W1、ZG120Mn13Ni3、ZG90Mn14Mo1、ZG120Mn17、ZG120Mn17Cr2等10个牌号，详见国家标准GB/T 5680-2010《奥氏体锰钢铸件》和GB/T 5680-2010《铸造高锰钢金相》。
（2）耐磨损白口铸铁。耐磨(损)白口铸铁亦称抗磨(损)白口铸铁。耐磨白口铸铁的主要特点是高硬度和低韧性，目前磨球、磨段、渣浆泵过流件、反击破板锤等仍主要选用耐磨白口铸铁。Cr15、Cr20和Cr26系列高铬耐磨铸铁在国内均已大批量生产和应用。我国在高铬铸铁基础上又研发了中铬硅耐磨铸铁和适于铸态应用的低铬耐磨铸铁，并已批量生产和工业应用。
低碳含量（1.1％～2.0％C）的Cr12高铬铸铁（有时亦称为高铬钢），淬火回火后硬度≥HRC 50，具有较好的韧性，近些年在国内已有生产和应用。根据技术进步的实际情况，低碳含量（1.1％～2.0％C）的BTMCr12-DT牌号高铬铸铁被正式列入新修订的《抗磨白口铸铁件》（GB/T 5680-2010）国家标准。近些年我国高铬铸铁硬度和淬透性工艺控制水平明显提高，与此新修订的《抗磨白口铸铁件》国家标准将硬化态或硬化态去应力处理的高碳含量高铬铸铁表面硬度规定为≥HRC58，并增加了铸件断面深度40％处的硬度要求，要求铸件断面深度40％处的硬度应不低于表面硬度值的92％，即提高了铸件淬透性要求，从而抑制铸件合金元素不足和偷工减料现象。
近年来随着高铬铸铁孕育变质处理和细晶化技术发展，高铬铸铁件含碳量渐趋高含量，以提高高铬铸铁硬度，高碳量高铬铸铁板锤、叶轮和护套、磨辊和磨盘均已产业化。工业生产和应用实践表明耐磨铸铁的硬度达到HRC58是一基本级别，HRC60是一个较高的级别，而达到HRC63是更高的一个级别，这在过流件等冲刷腐蚀磨损工况尤为重要，因此近年高硬度过共晶高铬铸铁研发取得进展。在对HRC63级耐磨铸铁的技术攻关中，石家庄强大泵业集团公司研究开发出了高碳超高铬过共晶白口铸铁，借助于高体积分数和高硬度的碳化物，铸铁热处理后硬度达到HRC 63～68，冲击韧度达到4～5.5J/cm2(20mm×20mm×110mm无缺口试样)，性能与澳大利亚沃曼公司制造的A217高碳高铬白口铸铁（5.0%C， 35%Cr）相当。工艺上着重解决了缩松和热裂问题，4吋泵前护板使用寿命是BTMCr26铸铁前护板3倍以上。另外近期西安交通大学在含钛Cr20过共晶高铬铸铁研发方面，暨南大学在HRC63以上级含铌Cr35过共晶高铬铸铁研发方面取得了一定的成果。高硬度过共晶高铬铸铁件生产和应用的关键难题须解决脆性问题。
减少Mo、Ni、Cu和Cr等贵重合金元素，从而降低高铬铸铁生产成本，始终是该领域研发方向。标准体系中耐磨合金铸铁合金元素要求常常是一范围，根据工况和耐磨件特点对合金元素进一步优化是非常必要的。近年关于高铬铸铁磨球生产的一个较显著的变化是控制含10%～11%Cr，通过油淬保证磨球淬透性，进而降低合金成本。
耐磨白口铸铁件典型牌号是BTMNi4Cr2-DT、BTMNi4Cr2-GT、BTMCr9Ni5、BTMCr2、BTMCr8、BTMCr12-DT、BTMCr12-GT、BTMCr15、BTMCr20、BTMCr26，详见国家标准GB/T 5680-2010《抗磨白口铸铁件》。
（3）非锰系耐磨损合金钢。非锰系耐磨合金钢以硬度较高、韧性较高和强度较高，特别是硬韧性匹配良好为特点。目前挖掘机斗齿、水泥厂和火电厂球磨机衬板、中小型锤破机锤头、耐磨管道等大量选用非锰系耐磨合金钢。通过合金化、精炼、铸造工艺和热处理工艺仍可进一步提高硬韧性能和拓展应用的空间，而且潜力巨大。
近些年来非锰系耐磨合金钢的成果之一是冶金矿山湿式球磨机衬板材料的研发和应用。前些年含0.16%～0.28%C、7.0%～10% Cr、1.5%～2.2% Ni、 0.5%～0.8% Mo的合金钢衬板淬回火热处理后硬度HRC45～52，冲击韧度αkn≥50J/cm2，在铁矿球磨机上工业试验，取得了一定的应用效果。近期，新研发的含0.20%～0.28%C， 8.0%～13% Cr，Ni≤1.0%，Mo≤0.8%的耐磨蚀合金钢，已达到硬度HRC52～57，V型缺口冲击吸收能量≥25J/cm2。而在氧化铝厂的热强碱性铝矿浆球磨机衬板，解决了碱脆开裂（应力腐蚀开裂）难题，含Cr量较低的多元低合金马氏体铸钢衬板已可完全替代高锰钢衬板，已创造出显著的经济效益。
非锰系耐磨合金钢特别是中碳中、低合金钢的发展方向之一是提高钢的硬度和韧性配合，即提高硬韧性，以全面提高钢的抗冲击和耐磨损能力。近些年通过合金和工艺研发，中碳低合金铸钢硬韧性匹配已能实现HRC=50+2.5X (1)，αkn=200-50X (2)，其中X可取－1，0，1，2，3。这为依据具体冲击磨损工况（特别是冲击条件）研发和选材奠定了基础。
目前，通过成分匹配和热处理工艺优化，生产用ZG30CrMnSiMo已达到硬度HRC 51～54，V型缺口冲击吸收能量≥20J/cm2，优异的硬韧性配合为该钢种在较大锤头和较大斗齿等更高冲击磨料磨损工况的应用创造了条件。
以ZG30Cr5Mo、ZG40Cr5Mo为代表的耐磨中合金钢，主要特点是淬透性较好，可以采用油淬和空淬等较低应力淬火工艺。近期的研究表明初始硬度并不很高的耐磨中合金钢冲击磨损加工硬化能力比中碳多元低合金钢更优，进而耐磨性更好，由此扩大了耐磨中合金钢在水泥厂和火电厂球磨机衬板等工况的应用。
非锰系耐磨中、低合金钢铸件11个典型牌号是ZG30Mn2Si、ZG30Mn2SiCr、ZG30CrMnSiMo、ZG30CrNiMo、ZG40CrNiMo、ZG42Cr2Si2MnMo、ZG45Cr2Mo、ZG30Cr5Mo、ZG40Cr5Mo、ZG50Cr5Mo、ZG60Cr5Mo，详见国家标准GB/T 26651-2011《耐磨钢铸件》。该国标将耐磨钢铸件分为低合金钢和中合金钢两大类别，主要合金成分要求之外允许加入微量V、Ti、Nb、B和RE等元素，确定硬度和冲击吸收能量两个重要指标为耐磨铸钢及其铸件的力学性能指标，在表面硬度要求之外规定铸件断面深度40％处的硬度应不低于表面硬度值的92％。
（4）耐磨损球墨铸铁。10年以前，通过液淬热处理生产出高硬度和一定韧性的马氏体耐磨球铁，通过Mn等合金化与液淬热处理制造出硬韧性配合较好的贝氏体—马氏体耐磨球铁。这两类耐磨球铁在国内已用于球磨机磨球的生产和组合自固型衬板生产。等温淬火球铁（ADI）具有高强度、一定韧性和良好加工硬化特性，在国内外用于齿轮、凸轮轴等易磨损件。等温淬火含碳化物球墨铸铁（CADI），含有少量碳化物形成元素Cr，并且碳化物数量随Cr量可调，CADI具有较高硬度、一定韧性和良好加工硬化特性，研发工作已取得成果，目前正试用于球磨机磨球。
耐磨球铁磨球典型牌号是ZQQTB和ZQQTM，详见国家标准GB/T 17445-2009《铸造磨球》。为进一步优化和认证耐磨损球墨铸铁，机械行业标准《耐磨损球墨铸铁件》正在制定过程中。
（5） 耐磨损钢铁复合材料。钢铁基耐磨复合材料是近些年国内外耐磨材料研究开发的热点之一，在一些严酷的磨损工况得到了工业应用。我国耐磨复合材料经历了双液双金属材料，高铬铁——钢镶铸材料、高铬铁——钢机械组合材料等几个阶段，10年来复合大锤头（≥90kg）为标志的高锰钢镶铸硬质合金（或耐磨铸铁）复合材料已在国内一批厂矿生产和应用，近年高铬铸铁/钢双液双金属复合材料大锤头实现了工业化生产和应用，复合大锤头寿命明显高于原用普通高锰钢锤头，双液复合大锤头寿命提高了100%甚至更高。
陶瓷颗粒增强钢铁基耐磨复合材料是近年国内外研究开发的热点之一。考虑到生产成本和应用实际，这类复合材料大多被制备成表层硬化的表面复合材料。近些年在应用基础研究方面，针对WC、TiC、Al2O3、SiC等陶瓷颗粒特性，与钢铁（液）冶金结合效果，表面复合材料技术工艺参数等方面的工作取得系列成果，在此基础上开发出了多种钢铁基表面复合材料。鉴于强烈滑动（滚动）摩擦磨损，特别是磨料磨损工况，要求易损件耐磨复合层须有一定厚度，显然在这一工况领域用铸渗技术（重力、压力、离心力、负压条件下）得到表面复合材料较有前途，其中WC等陶瓷颗粒增强钢铁基表面复合材料轧钢导卫板和溜槽衬板已实现工业化生产和应用，重力铸造铸渗陶瓷颗粒增强表面复合层厚度＞15mm已成为现实，适于较厚大耐磨件的多孔状Al2O3等陶瓷预制体增强钢铁基表面复合材料正在试制过程中。关于铸渗表面复合材料，减少或不用粘接剂等添加剂得到冶金结合和致密的表面复合层是关键技术之一，提高复合层致密度和增加复合层厚度（＞20mm）是努力的方向，而由单一平面表层铸渗技术发展出弧面等复杂面表层铸渗技术是该领域的研发重点和难点。
耐磨损复合材料铸件典型牌号是ZF-1（镶铸合金复合材料Ⅰ铸件）、ZF-2（镶铸合金复合材料Ⅱ铸件）、ZF-3（双液铸造双金属复合材料铸件）、ZF-4（铸渗合金复合材料铸件），详见国家标准GB/T 26652-2011《耐磨损复合材料铸件》。
（未完待续……）
中国铸造协会耐磨材料与铸件分会
钢铁耐磨材料产业技术创新战略联盟
—《耐磨铸造材料行业 “十三五”发展纲要》
编写组
执笔：李卫教授
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