摘要：耐磨鋼鐵化學成分相同，而生產工藝不同，主要是熱處理工藝的不同，得到的顯微組織不同，其結果是力學性能、抗磨損性能、耐熱耐蝕性能不同，性能相差幾倍至十幾倍。顯微組織決定材料性能。材料的優異性能通過獲得需要的顯微組織實現。
　　關鍵詞：顯微組織、奧氏體、馬氏體、碳化物

　　Microstructure in wear resistant steel and the role
　 WangDingXiang
　　Qingdao Machine Res Institute  Shandong Qingdao 266033

　　Abstract: Wear the same steel chemical composition, and different production process, the main heat treatment process is different, different microstrutures were obtained, the result is the mechanical properties, wear resistance, corrosion resistance performance of different heat,a difference of a few times to ten times. The microstructure to determine material properties. The excellent properties of materials obtained by microsturcture to implementation.
　　Key word: Microstructure、Austenite、Martensite、Carbide
　　金屬的原子是金屬組織的最小單位。金屬原子的排列方式構成晶體，晶粒是無數的晶體組成。晶體是由晶格組成的，晶格的最小單位是晶胞。晶胞的三個座標的邊長尺寸與晶格常數其尺寸單位為nm(納米)。1nm=10-7cm。晶體內原子排列的方式一般有三種，即體心立方晶格，晶胞見圖1；面心立方晶格，晶胞見圖2；密排六方晶格，晶胞見圖3。純鐵（鐵中無碳，例如電解鐵）在固體下不同溫度同素異構轉變，純鐵的鐵原子排列由液態1539℃冷卻結晶至1392℃為體心立方晶格，稱為δ-Fe，在1392℃轉變到911℃為面心立方晶格，稱為r-Fe，在911℃由r-Fe又轉變為體心立方晶格至室溫稱為α-Fe。α-Fe的晶格常數為0.286nm，r-Fe的為0.365nm。δ-Fe與α-Fe晶格相同。

圖1  體心立方晶胞                        圖2  面心立方晶胞                     圖3  密排六方晶胞

　　鐵素體是碳與金屬元素在α-Fe（或δ-Fe）中的固溶體。滲碳體是鐵與碳的化合物以Fe3C表示，它具有復雜的斜方晶體結構。碳化物是鐵、合金元素與碳的化合物。晶格是用金相顯微鏡或電子顯微鏡觀察不到的，用X射線衍射儀才可以測定。而晶粒、鐵素體、滲碳體、碳化物、珠光體、、奧氏體、貝氏體、馬氏體等用金相顯微鏡及電子顯微鏡觀察判斷。

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　　作者簡介：王定祥（1936——），男，教授級高級工程師，主要從事金屬熱處理、耐磨材料研究、應用與開發。
　　1、奧氏體  碳與合金元素在r-Fe中固溶體
　　碳原子的溶入r-Fe的點陣發生畸變，晶格常數增大。碳、氮等位于間隙位置，錳、硅、鎳、鈷等則置換部分碳原子處于面心立方晶格取代位置。奧氏體的晶胞見圖4，奧氏體的顯微組織見圖5。

　　                                                                       圖4  奧氏體的晶胞                                         圖5  奧氏體的顯微組織
　　大部分鋼鐵合金加熱到臨界點AC3或ACm以上組織全部轉變為奧氏體，稱為奧氏體化。
　　1）、奧氏體錳鋼（高錳鋼）
　　加入一定錳量的鋼鐵合金經固溶處理在室溫獲得奧氏體組織的鋼稱為奧氏體錳鋼。國家標準GB/T5680-2010奧氏體錳鋼鑄件共10個牌號：ZG120Mn7Mo1、ZG110Mn13Mo1、ZG100Mn13、ZG120Mn13、ZG120Mn13Cr2、ZG120Mn13W1、ZG120Mn13Ni3、ZG90Mn14Mo1、ZG120Mn17、ZG120Mn17Cr2。
　　而奧氏體的初始硬度不高約HRC20（固溶處理后HBW170-220），韌性及抗腐蝕性能好。在奧氏體錳鋼的抗磨損性能是在實際工況條件下晶格發生畸變，原子錯排形成應力集中，發生位錯，提高了硬度、強度這便是位錯理論，而不是產生了馬氏體。位錯幾個示例：圖6為螺旋位錯示意圖，圖7為刃型位錯示意圖，圖8為大角度位錯示意圖。

　　                                              ○上層原子  ●下層原子
　　                                                圖6  螺型位錯示意圖                                                 圖7  刃型位錯示意圖                         圖8  大角度位錯示意圖
　　水泥球磨機（干法球磨機）用奧氏體做筒體襯板時，初始硬度為HRC20，而經使用產生位錯硬化硬度為HRC34，硬度提高不多，故而不耐磨。火電廠磨煤風扇磨沖擊板用奧氏體錳鋼初始硬度為HRC20經使用產生位錯硬化硬度僅為HRC28-38不抗磨。而錘頭、齒板、軋臼壁、破碎壁用奧氏體產生位錯硬化硬度達HR55，抗磨損性能好。濕法球磨機襯板因有腐蝕作用采用奧氏體錳鋼效果也好。
　　2）、奧氏體耐熱耐磨鋼
　　奧氏體系單相組織，在高溫條件具有抗蠕變性能抗斷裂性能抗氧化及耐蝕性能，同時還具有高溫抗磨粒磨損性能。因此在耐熱耐磨鋼中奧氏體組織仍是首選，在不超過650℃工作溫度有1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Mo、45Cr14Ni14W2Mo、12Cr16Ni等牌號；在不超過950℃工作溫度有ZG40Cr22Ni10Si2Mn牌號；在不超過1100℃工作溫度有ZG40Cr25Ni2Si2Mn、ZG35Ni24Cr18Si2Mn等牌號；在不超過1150℃工作溫度有ZG40Cr25Ni20Si2Mo。
　　2、珠光體    珠光體是奧氏體發生共析轉變形成的鐵素體與碳化物（在鐵碳合金中為滲碳體）的共析體。是鐵素體與碳化物相間的層片狀組織，也稱片狀珠光體。力學性能介于其組成的鐵素體與碳化物之間，硬度、強度適中，塑性和韌性較好。
　　珠光體內片間距為150-450nm，一般HBW在190-230，珠光體組織見圖9。索氏體內片間距為80-150nm，一般HBW 230-320，又稱細珠光體，索氏體組織見圖10。屈氏體內片間距為30-80nm，一般HBW在330-400，又稱極細珠光體或托氏體，屈氏體組織見圖11。

　　(a)光學顯微鏡下形貌400X；（b）電子顯微鏡下形貌
　　圖9  珠光體組織

　　(a)光學顯微鏡下形貌400X；（b）電子顯微鏡下形貌
　　圖10  索氏體組織

　　                                                                                           (a)光學顯微鏡下形貌400X；（b）電子顯微鏡下形貌
　　                                                                                                              圖11  屈氏體組織
　　在球化退火時，珠光體中碳化物呈球狀，稱球狀珠光體。在相同化學成分情況下，球狀珠光體的強度、硬度稍低（HBW在160-190），但塑性、韌性較好。球狀珠光體切削性好，冷擠壓成型性好，淬火時變性、開裂傾向小。
　　3、馬氏體    馬氏體是碳與合金元素在α-Fe中的過飽和固溶體。馬氏體轉變是在低溫進行的，鐵原子與碳原子是無擴散r-Fe內原子產生位移，形成切變為α-Fe，碳在α-Fe中是間隙固溶體，引起晶格畸變，造成立方體C軸伸長，α軸縮短，c/a稱為正方度。馬氏體的晶胞示意圖見圖12。合金元素加入鋼鐵中是形成置換固溶體，對馬氏體晶格常數影響不大。

　　a）碳原子在α-Fe間隙的可能位置；（b）碳原子在α-Fe間隙產生正方度
　　圖12  馬氏體的晶胞示意圖

　　⑴、片狀馬氏體
　　在中碳合金鋼及高碳合金鋼經奧氏體化后淬火往往得到片狀馬氏體。光學顯微鏡下觀察呈針狀，也叫針狀馬氏體。立體形態為片狀，中間厚，兩端尖細。圖19為金相顯微鏡500X的片狀馬氏體。圖14為透鏡片狀馬氏體形貌。

　　                                                     (ZG42Cr2Si2MnMo鋼)                                            (a)                                                        (b)
　　                                                                                 圖13  片狀馬氏體 500X                              圖14  透射電鏡中片狀馬氏體形貌
　　片狀馬氏體硬度高，一般HRC 48-67，而沖擊韌度稍低，馬氏體的硬度主要是隨含碳量的增加而提高，而加入合金元素對馬氏體硬度提高作用較小，而對淬透性的影響很大。含碳量的增加使淬火后殘留奧氏體量增多，而使硬度下降。片狀馬氏體中含C量愈多溶入形成α-Fe過飽和固溶體C原子愈多，合金元素的進入形成過飽和α-Fe間隙固溶體，晶格畸度愈嚴重，形成的應力場的應力愈大，硬度更高，抗磨損性能更高，但是抗氧化、抗腐蝕及抗高溫腐蝕磨損性能愈低。ZG42Cr2Si2MnMo鋼、ZG45Cr2SiMo、ZG40Cr5Mo均是片狀馬氏體鋼。對于用做水泥球磨機筒體襯板耐磨性很好，一般為高錳鋼襯板的使用壽命的3-6倍。ZG50Cr5Mo及ZG60Cr5Mo鋼的顯微組織是片狀馬氏體+碳化物，也用做球磨機筒體襯板。從顯微組織來看片狀馬氏體+碳化物的耐磨性優于片狀馬氏體。片狀馬氏體在濕法球磨機做襯板的耐磨性不如干法球磨機做襯板的效果好，是因為濕法球磨機襯板有嚴重的腐蝕性而片狀馬氏體抗腐蝕性差。

　                                                                　                               (a)光學顯微鏡下形貌（400X）；(b)透射電鏡下馬氏體板條內的位錯
　　                                                   圖15  板條馬氏體顯微組織示意圖                                               圖16  板條馬氏體
　　CrMnSiB板條馬氏體鋼使用效果：
　　1）、鋁廠用于φ3.2×4.5m濕式棒磨機筒體襯板使用情況。工況條件：鋁土礦石，襯板為凸棱襯板，襯板最厚處為110mm，磨內溫度80-100℃，鋼棒直徑φ100mm，礦槳為高堿性。襯板硬度HRC48的CrMnSiB板條馬氏體鋼與硬度HRC53的ZG42Cr2Si2MnMoRE片狀馬氏體鋼對比試驗，前者6000小時，后者為3200小時，使用壽命前者為后者的1.875倍。而高錳鋼的使用壽命不足3200小時。
　　2）、鐵礦山用于φ2.7×4.6m濕法球磨機筒體襯板使用情況。工況條件鐵礦礦石以磁鐵礦、鈦鐵晶石為主，礦石含鐵20%-53%，含TiO2為5.8-11.8%，礦石硬度為f＝12-14。脈石礦物中鈦輝石約占脈石總量的56%。入料粒度15mm。鋼球直徑φ100mm。HRC48的CrMnSiB板條馬氏體與ZG120Mn13Cr2奧氏體鋼對比試驗，前者使用壽命6636時，后者為4758時，使用壽命前者為后者的1.39倍。
　　3）、日本小松400型尖齒用于在吉林通化鐵礦山裝載于挖掘機各六齒，CrMnSiB板條馬氏體鋼與日本ZG30CrSiMo鋼對比試驗，前者中間齒4個使用壽命為30天，邊齒2個為21天，后者中間齒4個使用壽命15天，邊齒為10天，使用壽命前者比后者提高一倍。由此可見，板條馬氏體鋼是鋼鐵耐磨材料一個重要的發展方向。
　　4）、貝氏體  貝氏體是鋼鐵過冷奧氏體在Ms點以上~470℃中溫轉變產物是碳在α-Fe（鐵素體）正方晶格的過飽和固溶體，又分上貝氏體與下貝氏體。在貝氏體轉變過程中，不發生鐵原子的擴散，奧氏體向鐵素體的晶格改組依靠切變方式進行，并通過碳原子的擴散進行碳化物的沉淀析出。因此貝氏體轉變是碳原子的擴散而鐵原子的不擴散的半擴散型相變。上貝氏體是在貝氏體轉變區上部溫度范圍形成的，呈羽毛狀；下貝氏體是在貝氏體轉變區下部溫度范圍形成的，呈針狀。因此貝氏體包括上貝氏體與下貝氏體又都稱為針狀鐵素體。等溫淬火時過冷奧氏體不能全部轉變為貝氏體，最多能轉變60%-80%，因此得到是的以貝氏體為主的混合組織，例如貝氏體+奧氏體。通常下貝氏體強度高，韌性好，而上貝氏體強度低，韌性差。往往控制得下貝氏體多。見圖17(a)可以看到成束的條狀鐵素體，但對條間碳化物不能分辨，形似羽毛，故又有羽毛狀貝氏體。見圖17(b)在電子顯微鏡下可以看到由許多平等的鐵素體與不連續短桿狀碳化物組成形貌。
　　⑵、板條狀馬氏體
　　低碳合金鋼經奧氏體化淬火在光學顯微鏡下觀察呈現不同位向板條組成的顯微組織故稱板條馬氏體。板條馬氏體顯微組織示意圖如圖15所示。由圖可見，一個奧氏體晶粒可以形成幾個（常為3-5個）位向不同的板條群（圖15中A區），板條群可以由兩種板條束組成（圖15中B區），也可由一種板條束組成（圖15中C區），板條束之間呈不同位向，一個板條束內有很多近于平行的細長馬氏體板條（圖15中D區），位向相同的板條之間晶界為小角晶界。每一個板條馬氏體為一 個單晶體，立體形態為扁條狀，寬度在0.025~2.25μm之間，多數板條寬度在0.1~0.2μm之間。圖16為板條馬氏體顯微組織。透射電鏡和原子探針分析，這些密集的板條之間通常由含碳量較高的殘余奧氏體隔開，這一薄層殘留奧氏體的存在顯著地改善鋼的力學性能。透射電鏡觀察板條狀馬氏體內有大量的位錯，位錯密度高達（0.3~0.9）×1012cm-2，位錯分布不均，形成胞狀亞結構，稱為位錯胞。在板條馬氏體內部有時也可以觀察到孿晶，但數量極少。因此，板條馬氏體又稱“位錯馬氏體”。
　　板條馬氏體鋼沖擊吸收能量高，KN2=50-200J，且抗腐蝕能力極強，可用于各種濕法球磨機筒體襯板、隔倉板、篦板。破碎機篩板。拖拉機履帶板。挖掘機斗齒等。作者研制了一個CrMnSiB板條馬氏體鋼。圖16為CrMnSiB板條馬氏體鋼顯微組織。力學性能HRC48-53，KN2＝50-120J。

　　                                                                                   (a)                                                                         (b)
　                                                                                       　(a)光學顯微鏡（400X）；(b)電子顯微鏡（5000X）
　　                                                                                                             圖17  上貝氏體
　　見圖18下貝氏體。圖18(a)光學顯微鏡下下貝氏體中鐵素體呈現顏色暗黑針狀，鐵素體片之間互成一定角度，相似馬氏體形貌。在圖18(b)電子顯微鏡看到下貝氏體的針片鐵素體內成排地分布著細微的ε碳化物。這些碳化物與鐵素體長軸約成55°~60°角。下貝氏體的針狀鐵素體是過飽和固溶體，類似低碳馬氏體。

　　(a)光學顯微鏡（500X）                  (b)電子顯微鏡（5000X）
　　圖18  下貝氏體

　　5、碳化物
　　碳化物是化合物，不是固溶體，是碳與金屬形成的化合物。它不同于非金屬化合物，具有金屬特性，不具有非金屬化合物的正常價規律。碳化物具有間隙結構，與復雜晶格結構的。具有間隙結構的相稱為“間隙相”。它們的晶體結構特征是由金屬原子半徑rm及非金屬原子半徑rx的比值決定的，若rx/rm＜0.59，則形成間隙相；若rx/rm＞0.59則形成復雜晶格的相。
　　圖19為Fe3C復雜的斜方晶胞結構。圖20為TiC間隙相晶胞結構。

　　圖19  Fe3C的復雜的斜方晶胞結構      圖20  TiC間隙相晶胞結構
　　（1A°（1埃）＝1×10-8公分）

　　單獨把碳化物制成產品直接使用較少，而是通過在鋼鐵中加入碳、合金元素或者直接加入碳化物被利用，它的作用體現在鋼鐵耐磨材料產品中。
　　⑴、低鉻鑄鐵
　　低鉻鑄鐵在國標GB/T8263-2010抗磨白口鑄鐵中牌號ZQCr2碳化物為（Fe、Cr）3C，從表知顯微硬度比白口鑄鐵Fe3C顯著要高，耐磨性好。用ZQCr2制做球磨機磨球，用金相顯微鏡觀察，可以看清顯微組織形貌。鑄態：顯微組織為連續網狀共晶碳化物+二次碳化物+素氏體見圖32，形貌不好。加稀土硅鐵合金變質處理后，鑄態顯微組織為斷續網狀共晶碳化物+二次碳化物+索氏體見圖33，形貌較好。此形貌之低鉻鑄球其耐磨性在生產每噸水泥單耗在80克以下，破碎率不超過1%。

　　圖21  鑄態：連續網狀共晶碳化物          圖22  變質處理的鑄態：斷續網狀共晶碳化物
　　+二次碳化物+索氏體100X                        +二次碳化物+索氏體

　　⑵、中鉻鑄鐵
　　中鉻鑄鐵在國標GB/T8263-2010牌號為ZQCr8。碳化物為（Fe,Cr）7C3+(Fe,Cr)3C，從表2知顯微硬度比低鉻鑄鐵更高，耐磨性更好。ZQCr8經淬火+低溫回火獲得顯微組織為馬氏體+碳化物+二次碳化物+殘余奧氏體見圖23。

　　圖23  馬氏體+碳化物+二次碳化物+殘余奧氏體  500X

　　⑶、高鉻鑄鐵
　　高鉻鑄鐵在抗磨白口鑄鐵國標GB/T8263-2010中牌號BTMCr12-DT、BTMCr12-GT、BTMCr15、BTMCr20、BTMCr26中碳化物為M7C3。M7C3顯微硬度HV1200-1800比M3CHV1097-1288、M23C61000-1520高，故高鉻鑄鐵比中鉻鑄鐵、低鉻鑄鐵耐磨性好。由于含Cr量大于10%，碳化物斷網，沖擊韌性也高。
　　作者以ZGCr13SiMo（即牌號BTMCr12-DT）制做球磨機襯板裝機于河北省冀東水泥廠φ4.5×15.11m球磨機第二倉，與日本石川島重工株式會社CLX-2L鋼（與ZGCr13SiMo牌號對應）進行對試，該襯板磨損量為0.51g/t，而日本襯板磨損量為0.55g/t，該襯板的耐磨性為日本襯板的1.08倍，無斷裂，使用壽命達20年。該襯板的顯微組織為馬氏體+共晶碳化物+二次碳化物+殘余奧氏體，圖24(a)為放大倍數100X及(b)500X的顯微組織。

　　圖24  馬氏體+共晶碳化物+二次碳化物+殘余奧氏體（中國襯板）

　　BTMCr12-DT與BTMCr12-GT在合金元素含量相同而含碳量不同的條件下，經熱處理后硬度可以相同，而沖擊韌性BTMCr12-DT比BTMCr12-GT要高些。日本襯板的顯現組織為馬氏體+共晶碳化物+二次碳化物+殘余奧氏體。圖25(a)為放大倍數100X及(b)500X的顯微組織。兩者比較ZGCr13SiMo鋼襯板比日本CLX-2L鋼襯板鋼晶粒細些。

　　圖25  馬氏體+共晶碳化物+二次碳化物+殘余奧氏體（日本襯板）

　　⑷、超高鉻鑄鐵
　　通常稱BTMCr20、BTMCr26為超高鉻鑄鐵，而把BTMCr12-DT、BTMCr12-GT、BTMCr15為高鉻鑄鐵。除加入納米變質劑外,超高鉻鑄鐵是目前最耐磨的鋼鐵耐磨材料。
　　圖26為BTMCr26顯微組織放大400X；圖27為BTMCr20顯微組織放大400X；圖28為BTMCr20顯微組織放大400X；圖29為BTMCr20顯微組織)放大400X。顯微組織均為馬氏體+碳化物+二次碳化物+殘余奧氏體。

　　400X                                    400X
　　圖26  BTMCr26顯微組織                  圖27  BTMCr20顯微組織

　　圖28  BTMCr20顯微組織                    圖29  BTMCr20顯微組織

　　圖28  BTMCr20顯微組織                    圖29  BTMCr20顯微組織
　　圖26至圖29所顯示的超高鉻鑄鐵四種微組織的拋丸機產品在相同類型的拋丸清理機，相同的拋丸葉片數量以及相同的鑄件的工況條件下對比試驗得出的葉片的使用壽命如下：圖26的顯微組織葉片使用100小時，圖27的200小時，圖28的400小時，圖29的600小時。顯微組織的名稱相同而顯微組織的形貌及內含都有重大差別，圖29所顯示的顯微組織最佳，葉片的壽命最長。抗磨白口鑄鐵需要獲得什么樣的顯微組織最耐磨？是在馬氏體基體上得到趨向顆粒化、細小的、彌散的均勻分布的，硬度極高的碳化物。牌號的化學成分很寬，對產品化學成分設計與生產工藝，特別是熱處理工藝的制定，對產品產生最佳顯微組織起決定性的作用。