由于恶劣的服役工况,自磨机、半自磨机衬板用耐磨铸钢必须具有较高的硬度与良好的冲击韧性,才能起到抗磨减磨的作用,达到提升整套装备服役寿命的目的。铬钼合金耐磨铸钢具有较好的耐磨性,广泛用于自磨机和半自磨机衬板,但是存在合金含量高,塑韧性较低和制造成本高等问题。本课题针对以上问题,以耐磨性良好,合金成分较为简单的ZG31Mn2Si低合金耐磨铸钢为基础,采用合金元素微调控与钒氮微合金强化相结合技术,开发了钒氮强化新型耐磨铸钢材料。结合模拟计算和实验研究,分析了碳含量对耐磨铸钢组织及性能的影响规律。分析了钒含量对组织转变和碳氮化物析出行为的影响规律。研究了热处理工艺对耐磨铸钢组织和性能的影响。构建了钒氮强化与组织、力学性能和耐磨性之间的关系。在理论研究基础上进行了试制及试用。与原产品相比,服役寿命有所提高,有效控制了生产成本,为钒氮微合金强化技术在耐磨铸钢领域的研发积累了理论基础,为产业化提供了操作经验。结果表明:随C含量的增加,微观组织中板条马氏体减少,针状马氏体增多,材料硬度上升,冲击韧性下降。耐磨性先上升后下降,其主要原因在于当C含量较低时材料硬度较低,塑韧性较高,磨损机理以塑性变形磨损为主。当C含量过高时,材料硬度较高,但塑韧性较差,磨损机理以脆性断裂磨损为主。C含量约为0.4 wt%时,试样的冲击韧性与硬度有着较好的匹配,磨损机理为微疲劳磨损,耐磨性最好。为进一步提高耐磨性,采用钒氮微合金强化技术,对C含量为0.4 wt%的低合金耐磨铸钢进行了性能优化。结果表明:V含量对冷却过程中M（C,N）的析出行为影响较大,随着V含量提高,M（C,N）起始析出温度和最大析出量均明显提高。V的加入,能够有效控制奥氏体晶粒长大。加热温度≥1100℃时,由于加热温度接近或超过M（C,N）在奥氏体中的溶解温度,会导致原奥氏体晶粒出现异常长大。研究试验钢的静态连续冷却转变过程发现V含量可影响马氏体转变临界冷速,V含量为0.069wt%时,临界冷速为10℃/s,当V含量升至0.186 wt%时,该临界冷速降至5℃/s。试样经热处理后,与未经钒氮强化的相比,硬度上升1.5 HRC左右,V型缺口冲击韧性上升10 J/cm~2左右。相对耐磨性提升9.5%～15%。揭示了钒氮强化作用机理。V含量的增加,促进了碳氮化物的析出,降低了C、N元素在马氏体中的固溶度,导致材料硬度下降,冲击韧性提升。300℃回火时出现了第一类回火脆性,但V含量的增加,促进了碳氮化物由短杆状向粒状转变,缓和了回火脆性。低温回火钢的冲击磨损实验表明基体中的纳米级碳氮化物起到了析出强化及阻碍微裂纹扩展的作用,促进了耐磨性提升。当回火温度较高时,原马氏体板条边界析出了尺寸较大的Fe3C颗粒,板条内部则析出尺寸较小的M（C,N）颗粒,两种析出物协同作用,有助于材料抵抗磨料的纵向嵌入及切向运动,从而提高了耐磨性。在具体工况应用中发现研发的新型耐磨铸钢与原铬钼钢衬板产品相比,耐磨性提高约15.7%,制造成本得到了有效降低。