技术前沿｜日新制钢TOUGH STAR®耐磨钢性能简析

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1 耐磨钢TOUGH STAR^®

表1是TOUGH STAR^®产品系列和各钢种的特征及推荐用途。分类为Nb添加钢、合金工具钢和高Mn钢三种。

Nb添加钢是提高耐磨料磨损的钢种，有类型Ⅰ-Ⅲ 3个钢种。类型Ⅰ（钢种：N50CRN）的推荐用途，有硬度调质为450-600HV的链条零件和机械零件等。类型Ⅱ（钢种：NC85UN）是用于要求比类型Ⅰ更高硬度的用途。类型Ⅲ（钢种：NSSWR-1）用于要求耐蚀性的刀具和纤维机械零件等。

类型Ⅳ（NKS钢）共有10个以上的钢种，都是针对JIS标准的工具钢和合金工具钢，均赋予韧性等各种特性的钢种。推荐用途主要有砍伐树木的锯和刀具等。

类型Ⅴ（钢种：IRS2）是高Mn奥氏体钢，具有优越的耐磨性和抗冲击性。用于耐砂土和岩石等磨损的土木建筑机械零部件等。以硬度300HV以下的零部件为对象。

N50CRN、NC85UN、NSSWR-1和NKS钢均用热调质处理后作为高强钢使用。此外，IRS2是非调质使用的钢种。详细在第3节介绍，可以根据构件的磨损形态，强度水平和耐蚀性等要求的特性，选择适当的钢种。

表2是各钢种的化学成分。N50CRN基于0.5%C钢，NC85UN基于0.85%C钢，NSSWR-1基于不锈钢，均添加Nb。而NKS钢是对JIS标准的碳素工具钢或合金工具钢，添加各种合金元素。作为代表钢种，示出了NKS85。在0.8%C钢中添加Ni、Cr、Mo和V。类型Ⅴ（IRS2）含约1% C外，还含有约12%的Mn。以下介绍各钢种的耐磨性及其他特征。

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2 TOUGH STAR^®的耐磨性及其他特征

2.1 Nb添加钢

Nb添加钢显示良好的耐磨料磨损性的同时，在润滑环境下的黏着磨损中，也确认了其抑制效果。碳素钢和马氏体系不锈钢含有的Fe3C或（Fe,Cr）23C6比磨粒SiC软，因此当接触到磨粒时，随着基质一起被磨掉。而Nb添加钢，2400HV的硬质NbC颗粒抑制磨粒的切削，显示优越的耐磨料磨损性。

图1是润滑环境下的Nb添加钢耐磨损性提高效果示意图。硬质的NbC颗粒抑制了配合材料及夹在其间的润滑油中的污泥和磨损粉末等微颗粒对基质的磨损，使耐磨性提高。此外，NbC颗粒抑制了基质与配合材料之间的金属接触，提高耐黏着磨损性。

表3是为评价耐磨料磨损性使用的对比钢及其成分，这些钢均为JIS标准钢种。使用了0.2%C钢的S20C、0.55%C钢的S55C、0.85%C钢的SK85和1%C-1.5%Cr钢的SUJ2。表4是试验用钢种的热处理条件及热处理后的硬度。如表中所示，用根据钢成分的条件进行淬火，在200℃、300℃和400℃分别保持1h回火。金属组织均是回火马氏体组织，硬度在310-760HV范围。

卷包装薄膜片（以下称配合材料）从输出侧向卷取侧走行，其间以恒定的载荷将板状试样压向配合材料，从试验前后的重量变化计算出磨损量。一般情况下，在磨料磨损中，如果硬度高，磨损量减少。与同样硬度水平的JIS标准钢种相比，添加Nb的N50CRN、NC85UN和NSSWR-1的比磨损量小。即Nb添加钢可以在不增加相对于JIS标准钢硬度的情况下，提高耐磨性，这可以说是最大的特点。

2.1.1 N50CRN

N50CRN是基于表5所示的SAE1050，提高了耐磨性的钢种。其他特性，即淬透性、淬火+回火硬度的热处理特性，热处理后的材料性能与SAE1050基本相同。表6是两者的等温淬火处理后的拉伸试验和冲击试验结果。N50CRN所有的性能与SAE1050基本相等。

N50CRN用于汽车的无声链链板（以下称板）。无声链是将多块板重叠用销连接的结构，销与板的孔部位滑动。与板相比，销进行硬质表面硬化处理。因此，主要是板的孔部位磨损。板的孔部位磨损后，链长度增加（磨损伸长），影响阀门定时和链磨损的行为。特别是润滑油被燃料燃烧烟灰等污染，就会加快链条的磨损伸长。在该用途中，提高板材的硬度有可能增加销表面损伤，所以不希望增加板的硬度。因此，期待应用不提高硬度，就可提高耐磨性的Nb添加钢。

使用混入燃烧烟灰润滑油的无声链的磨损伸长的评价结果可以得知：与SAE1050相比，N50CRN的磨损伸长率小30%，确认了N50CRN的耐磨性提高。推测烟灰导致的磨料磨损和与销的黏着磨损被NbC颗粒抑制。

2.1.2 NC85UN

NC85UN钢种是面向要求静态强度比N50CRN高的用途而开发的产品，适用于汽车的高强度构件和纤维机械零部件或脱粒刀具等农业机械。表7是基于SK85的提高耐磨性的钢种。以下介绍评价在油润滑下的耐黏着磨损的大越式磨损试验结果以及模拟针织针等纤维机械零部件产生的纱线导致的磨损试验的结果。

使用NC85UN和作为对比材料的SK85，经过淬火+回火处理将硬度达到570HV，用于大越式磨损试验。此外，磨擦配合材料使用的转子是经淬火+回火处理，硬度达到700HV的SK85。图2是试验后的表面观察结果及比磨损量。如图2 （a）所示，与SK85相比，NC85UN磨损痕的宽度窄。如图2（b）所示，比磨损量是SK85的50%，耐磨性优越。推测NC85UN的磨损量比SK85小是因为NbC颗粒使黏着磨损得到抑制。

让试样以恒定载荷接触纱线，模拟针织针等纤维机械零件产生的纱线的磨损进行磨损试验。在不接触试样的状态，将纱线的张力定为5g，然后将试样以5g的载荷接触纱线，进行了试验。纱线使用了聚酯纤维纱线。试样的厚度为0.2mm，经淬火+回火调质为650HV。NC85UN比对比材料（0.95%C钢）的磨损量约小30%，耐磨性优越。推测纱线中所含白色颜料的TiO2导致磨料磨损被NbC颗粒抑制。

2.1.3 NSSWR-1

NSSWR-1是高强度马氏体系不锈钢。表8基于SUS420J2，面向要求耐磨性用途设计的钢种。适用于织机零件的棕片和电动剃须刀。表9是退火材及淬火+回火后的力学性能。退火材、淬火+回火材都比SUS420J2呈软质倾向。NSSWR-1生成Nb碳化物，所以Cr碳化物析出，即抑制了基质的Cr浓度降低，与SUS420J2相比，显示良好的耐蚀性。CASS试验结果显示：与SUS420J2相比，NSSWR-1具有良好防锈性。

关于NSSWR-1的耐磨性，介绍用销盘式磨损试验评价的结果。图3 （a）是试验方法的示意图。旋转粘贴着400号#砂纸的圆盘，在此以恒定载荷压紧试样，使试样磨损，由伴随磨损的高度变化求出磨损量，试验结果示于图3 （b）。与SUS420J2相比，磨损量小约30%，确认了添加Nb使耐磨料磨损性提高。

2.2 NKS系列

NKS钢是日新制钢公司独有的合金工具钢，相对JIS标准的碳素工具钢，是提高韧性和疲劳性能等的添加各种合金元素的钢。作为代表钢种，介绍NKS85。如表10所示，NKS钢是基于SKS5，添加了V、Mo的钢种。

一般情况下，如果提高钢材的硬度，耐磨性也提高。在SK85和SKS5用于锯和刀具的用途中，提高耐磨性是制品长寿化的有效方法。但是，在这些用途中，从安全性等方面考虑要求高韧性，所以有时提高耐磨性不能采用提高硬度的方法。在同一硬度水平比较时，NKS85有与JIS标准钢同等的耐磨损性，并具有高韧性，在确保安全性的同时，是具有更高强度的提高耐磨损性的钢。

用表3和表4所示的JIS标准钢种作为对比材料进行的磨损试验显示：NKS85如果是同样硬度水平，显示出与对比钢基本同等的耐磨性。

SKS5随着淬火温度上升，奥氏体晶粒长大，而NKS85在890℃以下基本一定，奥氏体晶粒的粗大化被抑制。认为这是钢中的V等微细碳化物作为钉扎晶粒发挥了作用。图4是用830℃加热保持淬火的NKS85和SKS5的回火硬度曲线。确认在250℃以上，NKS85比SKS5回火硬度高，抑制了软化。认为这是Si、Mn、Cr的合金成分多和添加Mo、V所致，抑制了回火过程中渗碳体的粗大化和Mo碳化物的析出等产生的抗软化性。

图5是NKS85和SKS5的夏比冲击试验结果。试样在830℃加热淬火后，用各种温度回火处理，试验是在室温下进行。所有的钢种随着硬度增加，冲击值降低，但在全部硬度水平，NKS85比SKS5冲击值高，而且两者的降低行为也不同。SKS5，如果超过50HRC，冲击值急剧下降。认为这是因为超过50HRC，SKS5的延性-脆性转变温度比室温高，不适用于要求韧性用途的钢种。另一方面，即使超过50HRC，NKS85冲击值降低也是缓慢的，呈现出比SKS5高的冲击值。认为这是微细的原始奥氏体晶粒导致的延性-脆性转变温度低温化的缘故。

本文为部分内容，全文请参阅《世界金属导报》28期B10。

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本文摘选自本报2021年第28期B10部分内容，若要详细了解更多相关行业和技术信息，请关注本报纸质报纸每期A版和B版内容，或者登陆本报手机APP客户端，或者本报网站新址：http://www.worldmetals.com.cn/电子报阅读全文。转载请注明出处。

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