微合金貝氏體抗磨鋼的研究綜述

1、正交法設(shè)計微合金貝氏體抗魔鋼的成分及性能（袁中濤 20100110）摘要：本文主要論述了微合金貝氏體抗磨鋼的開發(fā)思路、組織、成分、以及相關(guān)的性能和作用,并運用政教方法進行成分設(shè)計和性能檢測方案設(shè)計。用金屬類生態(tài)環(huán)境材料的研究思路，設(shè)計抗磨鋼材料成分，確定其產(chǎn)品制備工藝，將微合金化理論與控鑄控冷工藝相結(jié)合，即能獲得貝氏體、馬氏體和殘余奧氏體基體組織。不僅可減少資源和能源消耗，提高金屬材料的循環(huán)再生利用率，有效合理地利用地球上的富有資源，保持資源平衡，而且使產(chǎn)品的制造工藝及設(shè)備簡單，易于操作控制，為成功地生產(chǎn)成本低廉、 綜合性能優(yōu)良的新型微合金貝氏體抗磨鋼件提供了有實用價值的理論及數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：微

2、合金 貝氏體 抗磨鋼 正交方法引言隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市化進程的持續(xù)推進，微合金貝氏體抗磨鋼在國民經(jīng)濟中得到迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用，想過的研究也得到高速的發(fā)展。目前我國微合金貝氏體抗磨鋼生產(chǎn)企業(yè)眾多，產(chǎn)品已形成系列化。由于我國從技術(shù)上起步比較晚，與國外相比還存在一定的差距，因此開發(fā)研制高性能的國產(chǎn)微合金貝氏體抗磨鋼替代進口配件，使產(chǎn)品國產(chǎn)化已成為發(fā)展的必然趨勢。采用傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)傳統(tǒng)金屬抗磨材料已不能適應(yīng)目前的發(fā)展要求，應(yīng)用高技術(shù)去改造傳統(tǒng)金屬抗磨材料成為一新興舉措。本文研究在中高碳鋼成分基礎(chǔ)上加入少量或微量提高淬透性的金屬元素，應(yīng)用微合金化及控鑄控冷工藝而研制鑄態(tài)貝氏體和馬氏體雙相組織抗磨鋼

3、件。其中微合金化是指在基本化學(xué)成分（普通或低合金鋼）中添加微量（不大于0.2%）的合金元素，從而使鋼鐵材料的一種或幾種性能具有明顯提高的工藝技術(shù)，經(jīng)過此法處理的鋼稱為微合金鋼。文中研究的金屬抗磨材料就是在低合金抗磨鋼經(jīng)微合金化處理后所得的新型抗磨鋼。它與已有的微合金鋼，抗磨鋼和貝氏體鋼等材料及制造技術(shù)有很多不同點，所以在此將其命名為“微合金貝氏體抗磨鋼”。長期以來微合金貝氏體抗磨鋼廣泛應(yīng)用在水泥、選礦、發(fā)電、耐火材料、陶瓷等業(yè) 用以制造承受較大沖擊并要求耐磨的零件，如：拖拉機履帶板、破碎機顎板、球磨機襯板、破碎機板錘等。微合金貝氏體抗磨鋼的耐磨性好，韌性較高，但存在的問題是對原材料的要求極為嚴

4、格，需要加入大量的錳合金元素，生產(chǎn)成本很高。熱處理溫度和淬火液的溫度要求嚴格，水韌處理不易控制，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，研究耐磨性好 沖擊韌度高生產(chǎn)成本低的高錳鋼替代材料具有重要意義。1. 微合金貝氏體抗磨鋼新材料的開發(fā)思路采用微合金化技術(shù)，即在碳素鋼中添加微量的合金元素，通過優(yōu)化成分結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囃诰虿牧系臐摿Γ瑥亩@得易于制備、耐磨性和韌性俱佳的材料。我國生產(chǎn)的普通鑄造低合金鋼 主要品種有Mn系、Mn-Si系、Cr系等。單元錳鋼的最大特點是淬透性好、價格便宜。但它在熱處理過程中存在熱敏感性大，易產(chǎn)生回火脆性和Mn元素偏析等問題。多元Mn鋼克服了單元Mn鋼的缺點，如Mn-Si系鋼可

5、獲得更好的性能。本文研究以Mn-Si系鋼為基礎(chǔ)，適當(dāng)加入少量或微量：Cr、Ti、B、Nb等合金元素。為保證材料的硬度和韌性，則采用淬火加回火熱處理工藝。在成分設(shè)計時主要考慮了兩個因素：一是盡量減少珠光體，獲得以馬氏體為主以及少量碳化物的基體組織；二是盡可能地降低成本。2. 運用正交方法進行成分設(shè)計依據(jù)Si-Mn系列剛的成分特點，抗磨鋼的主要元素添加范圍為：0.35%0.55%的C，0.551.30的Si，1.10%1.30%Mn。鉻：是強烈形成碳化物的合金元素 它將降低共晶碳量，防止粗大初生碳化物的產(chǎn)生，保證碳化物形成高硬度的孤立狀的（CrFe）3C型理想抗磨相。選擇好適宜的Cr/C值是十分重

6、要的。同時，鉻有一小部分溶解在奧氏體中，起到強化基體、增加合金淬透性的作用。綜合以上考慮 將鉻量確定為0.2%0.4%。鈦：是常用的細化晶粒元素，鈦能細化奧氏體枝晶，促進滲碳體斷網(wǎng)，提高合金的沖擊韌性和抗磨性。鈦在顯微組織中主要以TiC的形式存在，鈦化合物的硬度極高，可以改善鋼鐵材料的力學(xué)性能和抗磨性，將Ti含量定為0.01%0.03%。硼：B是強烈穩(wěn)定奧氏體的合金元素,可替代Ni、Cr、Mo等貴金屬，顯著提高鋼淬透性，固溶在鋼中的B為0.001%0.003%時，提高淬透性最明顯，含B量超過0.005%時，韌性降低，所以應(yīng)該嚴格控制鋼中的含B量。鈮：Nb作為一種細化晶粒的合金元素在鋼中早已得到

7、應(yīng)用，屬于強碳化物形成元素，它與碳的親和力高于鐵和鉻，更易形成一種簡單立方點陣的化合物，能較大幅度地提高材料的耐磨性。此外Nb還可微溶于奧氏體基體中，有穩(wěn)定奧氏體作用，含鈮量對共晶碳化物形態(tài)有影響。Nb含量低時，惡化共晶碳化物形態(tài)；提高Nb含量時，出現(xiàn)獨立的鈮碳化合物后，共晶碳化物形態(tài)好轉(zhuǎn)，確定鈮的含量為0.1%0.5%1。為了獲得強韌馬氏體基體組織、必須提高合金的淬透性，加入V、Ni、Nb等元素是十分有效的途徑。采用L9（34）正交試驗優(yōu)化合金的成分2，因素水平如表1所示 試驗方案如表2所示。3. 微合金貝氏體抗磨鋼的金相組織微合金貝氏體抗磨鋼在鑄態(tài)下不能承受任何的機械沖擊，在通常生產(chǎn)中，對

8、一般的低合金鋼鑄件，常采取完全退火熱處理工藝。以消除應(yīng)力和細化組織3。對要求以耐磨性為主的鑄件，則在采取完全退火熱處理工藝后，完成機械加工，再進行淬火加回火的熱處理工藝，以獲得回火馬氏體組織 提高合金硬度。采用控鑄控冷工藝處理后，鑄件的硬度可達到HRC50以上，鑄態(tài)沖擊韌度可達10 J/cm2以上，顯微組織為貝氏體+馬氏體+殘余奧氏體組織。相關(guān)研究標(biāo)明，組織中的貝氏體呈針狀，分布均勻，彼此呈一定角度，并且由于貝氏體先于馬氏體形成，這樣貝氏體分割了奧氏體區(qū),使馬氏體轉(zhuǎn)變受到限制，在比原奧氏體晶粒細得多的范圍內(nèi)進行，這樣，馬氏體得到細化，因而使馬氏體的強度提高。同時，馬氏體轉(zhuǎn)變的體積膨脹給予貝氏體

9、巨大的壓應(yīng)力，使之產(chǎn)生相硬化而提高其強度，就使得貝氏體/馬氏體復(fù)相組織具有優(yōu)異的強度和韌性的配合 4, 5。4. 微合金貝氏體抗磨鋼的性能4.1 微合金貝氏體抗磨鋼的力學(xué)性能微合金貝氏體抗磨鋼的硬度在HRC50以上，沖擊韌性在1020 J/cm2之間，抗拉強度普遍在320450MPa之間，并且多數(shù)高于350MPa，抗彎強度在1000MPa 以上。微量元素對材料性能的影響主要是微合金化作用 ,主要表現(xiàn)在提高淬透性、 細化晶粒、純潔鋼液、 排除非金屬夾雜物或改善其形態(tài) ,同時還可與鋼中其它合金元素的相互作用以消除或減輕有害元素的不利影響。4.2 微合金貝氏體抗磨鋼熱加工工藝性能 微合金貝氏體抗磨鋼

10、流動性實驗的澆注溫度為1539，其螺旋線長度高達700mm以上，而同等級普通碳鋼螺旋線長度只有，200m左右，因此，其流動性是同等級普通碳鋼的34倍。在1556澆注時，其自由線收縮率為2.27%，縮孔率為,4.19%，體收縮率為9.88%，均較同等級鋼液的自由線收縮率、縮孔率及體收縮率小6。這些性能的改善都是因為稀土凈化鋼液、去氣、消除雜質(zhì)的有利作用而引起的。據(jù)有關(guān)研究試驗結(jié)果證明7：微合金貝氏體抗磨鋼與低碳鋼異種金屬焊接復(fù)合能獲得可靠的焊接接頭質(zhì)量，能滿足不受沖擊載荷高抗磨料磨損件的使用要求?？梢娢⒑辖鹭愂象w抗磨鋼的焊接性較好，這可能是微合金元素有益作用所致。在研究中采用鑄造與熱處理合二為一

11、的控鑄控冷新工藝試驗證明，微合金貝氏體抗磨鋼中有很多少量或微量提高淬透性及淬硬性合金元素，因此其熱處理工藝性良好。5. 微合金貝氏體抗磨鋼的主要應(yīng)用目前微合金抗磨鋼主要應(yīng)用于混凝土攪拌機的抗磨配件，如襯板、葉片、刮板等，但從它的性能分析，我們不難看出微合金抗磨鋼作為一種新型金屬抗磨材料，具有廣泛的應(yīng)用前景。 下一步我們準(zhǔn)備將微合金抗磨鋼應(yīng)用于礦山、 粉碎、 建材等機械 ,制作錘頭、 磨球等抗磨配件。微合金貝氏體抗磨鋼具有高的加工硬化能力和高的韌性8，但起始硬度低，只有在高沖擊負荷條件下才能充分發(fā)揮耐磨性，且屈服強度低，容易變形9。耐磨鑄鐵主要有低鉻鑄鐵和高鉻鑄鐵。由于鎳的價格高，鎳硬鑄鐵在國內(nèi)

12、很少采用。低鉻白口鑄鐵由于存在大量的網(wǎng)狀碳化物，造成韌性較低，更適用于基本無沖擊的磨損場合。高鉻鑄鐵被國內(nèi)外公認為有優(yōu)異的耐磨性，可用于有一定沖擊的磨損工況，但合金含量高，生產(chǎn)成本高，高溫?zé)崽幚硪鬃冃魏烷_裂，且在濕磨工況下腐蝕較為嚴重10。低合金貝氏體鑄鋼由于合金元素含量較低，具有高硬度、高耐磨和良好的韌性配合，工藝簡單，成本低廉，獲得了廣泛應(yīng)用，成為近年來發(fā)展的熱點。6. 結(jié)語新型微合金貝氏體抗磨鑄鋼具有良好的淬透性，工藝簡單，回火穩(wěn)定性好，具有高硬度、優(yōu)良的耐磨性能和良好的強韌性配合，且成本低廉，已在耐磨領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。另外，把添加合金元素的特種鑄造工藝應(yīng)用于貝氏體耐磨鑄鋼，進一步提高性能，簡化工藝，降低成本，減少污染，是一個重要的發(fā)展方向。參 考 文 獻1 時還芳.高碳低合金耐磨鋼錘頭的研制J鑄造,2002,(2):103105.2 高允彥,正交回歸試驗設(shè)計方法M.北京:冶金工業(yè)出版社,1988.3 李隆盛,鑄鋼及其熔煉M.北京:機械工業(yè)出版社,1981.4 鄭世安.鋼中M/ B下復(fù)合組織的強韌化和應(yīng)用J .熱加工工藝,1990, (2) :3745. 5 蔣業(yè)華,周榮.控制冷卻獲得貝氏體/馬氏體耐磨鋼J .鑄造,1998,47 (11) :2224.6 蔡擎.微合金抗磨鋼機理及性