高強度耐磨鋼的應用

高強度耐磨鋼的應用

0高強度耐磨鋼磨損是材料破壞的主要形式之一。盡管磨損不像腐蝕和疲勞破壞很少引起金屬工件災難性的危害,但其造成的經濟損失相當驚人。在冶金礦山、農機、煤炭等行業(yè)使用的大量裝備,大部分因材料磨損而失效。據(jù)統(tǒng)計,在工業(yè)發(fā)達國家,機械裝備及零件的磨損所造成的經濟損失占國民經濟總產值的4%左右,其中磨料磨損占金屬磨損總量的50%。我國每年因磨料磨損所消耗的鋼材達百萬噸以上,僅煤礦用刮板輸送機中部槽每年就消耗6～8萬t鋼板。因此,加強高強度耐磨鋼的開發(fā)應用,對國民經濟的發(fā)展有著重要的意義。近幾十年來,高強度耐磨鋼的開發(fā)與應用發(fā)展很快。這類鋼是在低合金高強度可焊接鋼的基礎上發(fā)展起來的,耐磨性能好,使用壽命可達傳統(tǒng)結構鋼板的數(shù)倍;生產工藝較簡單,一般采用軋后直接淬火加回火,或通過控軋、控冷工藝進行強化。高強度耐磨鋼板適用于多種工況條件,日本、德國、瑞典等國的一些鋼鐵公司都生產高強度耐磨鋼。我國在高強度耐磨鋼的開發(fā)方面起步較晚,在近10年陸續(xù)引進工程機械制造技術后,才打破了傳統(tǒng)16Mn鋼的低級別狀態(tài),開始向經濟型和高性能方向發(fā)展。1高強材料的應用高強度耐磨鋼合金元素含量較少,一般為1%～3%。通常所含的化學元素有Si、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Ti、B、Cu、Re等,表1給出了進口高強度耐磨板主要牌號化學成分。國內鋼廠生產高強度耐磨鋼所加的合金元素多為我國資源豐富的元素,如Cr、Si、Mn、B、RE等。該類鋼具有高硬度、高耐磨性、良好的塑韌性以及較優(yōu)良的焊接性等特點,強度一般大于1000MPa,是目前碳鋼板材供貨狀態(tài)下強度最高的產品之一。高強度耐磨鋼廣泛應用于礦山機械、煤炭采運、工程機械及水泥設備等方面,可以滿足大型工程機械在惡劣環(huán)境下工作需要高耐磨、長壽命、可簡單冷成型的使用要求。例如,用于制造推土機、裝載機的鏟刀、鏟斗、煤礦開采用電鏟、自動裝卸礦用車及刮板運輸機槽底襯板等。此外,凡是機械中有相對運動的工件間均會產生各種類型的磨損,都會要求提高工件材料耐磨性或使用耐磨鋼。2高強度耐磨鋼目前,國外高強度耐磨鋼牌號比較齊全,力學性能等基本上可以滿足各種使用要求。國外該類鋼的生產和應用已趨于穩(wěn)定。發(fā)達國家的一些鋼鐵公司已經有了自己的系列產品和標準,其成品板在保證高硬度、高耐磨性的同時,冷彎性能十分優(yōu)越。如瑞典奧克隆德的HARDOX系列、德國蒂森克虜伯的XAR系列、日本JFE的EVERHARD系列等。這些廠家從20世紀50～60年代開始生產高強度耐磨鋼,能夠穩(wěn)定供應厚度6～100mm、HB300～600各級別耐磨鋼產品,并為大多數(shù)使用環(huán)境提出適當?shù)慕鉀Q方案,并在高磨損環(huán)境中得到了成功的應用。在這些高強度耐磨鋼產品中,日本JFE生產的EH系列耐磨鋼板板形最好,是目前用戶加工使用過程中唯一不需要進行校正的產品,不平度≤4mm/m。瑞典奧克隆德公司是世界上最大的耐磨鋼板制造商,擁有世界最先進的四輥軋機、全自動化淬火和回火裝備,生產工藝先進,可生產厚度范圍為3～155mm、寬度為3500mm的鋼板。2007年4月,瑞典奧克隆德推出了目前世界上最高強度的耐磨鋼HARDOXEXTREME,達到HB700級別。3我國高強度耐腐鋼生產現(xiàn)狀及市場需求3.1下一步的試驗結果一直以來,我國基礎零件的耐磨性普遍明顯低于國外先進產品的水平。近幾年我國耐磨鋼領域的技術發(fā)展取得了長足進步,武鋼、鞍鋼、寶鋼、舞陽、太鋼等中厚板廠均能夠穩(wěn)定供應HB400強度級別以下的耐磨鋼板,部分廠家可生產HB500以下強度級別的耐磨鋼板。目前,HB400以上強度級別耐磨鋼仍主要依賴進口。我國耐磨鋼產品強度級別、性能與國外產品相比還有不小差距。國內高強度耐磨鋼成分設計總體采用低碳、Mn、Si及Cr-Mo-V-B組合方式,大多以淬火或淬火+回火狀態(tài)交貨。鋼板經淬火后獲得板條馬氏體和少量分布在板條間的殘余奧氏體。部分產品以熱軋、控軋狀態(tài)交貨,獲得貝氏體鐵素體(BF)加殘余奧氏體(AR)的復相組織。目前,國內主要鋼廠生產的高強度耐磨鋼產品質量基本上處于同一水平。武鋼開發(fā)高強度耐磨鋼板最早,設備較先進,產品以HB360級別為主,厚度范圍為10～50mm,成品性能較好。舞鋼熱處理手段齊全,成品板幅大,能夠生產厚度8～80mm、寬度1600～2500mm的耐磨鋼板。太鋼高強度耐磨鋼板板形較好,不平度可控制在4mm/m以內,達到進口耐磨板板形水平。國內高強度耐磨鋼板的生產技術發(fā)展時間并不長,與開發(fā)歷時近半個世紀的國外廠家相比,熱處理工藝還不成熟,整體成分設計合金含量較高,通過合金元素強化基體的同時,必然造成了部分塑、韌性的損失。國外先進廠家則通過成熟的生產及熱處理技術手段,獲得均勻細小的組織,達到良好的強度和塑韌性。表2為部分國產HB360級別和進口HB400級別耐磨鋼板成品的典型力學性能數(shù)據(jù)?？梢?與進口耐磨鋼板相比,國產耐磨鋼板低溫沖擊韌性普遍較低;進口耐磨鋼板在硬度級別提高的同時,仍保持較好的低溫韌性。表3所示為國內外部分高強度耐磨鋼板生產廠裝備情況。3.2高強度耐磨性鋼板主要使用情況據(jù)市場調查統(tǒng)計,國內煤炭機械行業(yè)用HB360～450級別高強度耐磨鋼板約40000t/a,產品厚度范圍主要為10～50mm。HB500級別及以上耐磨板國內市場需求小,僅少量應用于外資企業(yè),如美國的久益公司(生產刮板運輸機)、卡特彼勒(生產大型動輸車)等,且主要為進口板。隨著國內近年來該類行業(yè)加大安全生產投入,耐磨鋼板用量呈上升態(tài)勢。煤炭機械制造用高強度耐磨鋼板一般用于大型煤礦綜采設備中的中重型(功率≥2×220kW)刮板輸送機的制造,中小煤礦的輕型刮板輸送機一般不用耐磨板而用Q345B中板。國內煤炭機械用高強度耐磨板主要使用廠家為寧夏西北奔牛實業(yè)有限公司、張家口煤礦機械有限公司、山西煤礦機械制造有限公司(表4),這三家廠的用量占煤機耐磨板需求量的70%以上。厚度≤20mm的耐磨板用量不到10%。由于中重型刮板輸送機槽寬為650～1200mm,所以耐磨板寬度以1600mm、1800mm為主,要求寬度在2000mm以上的約占20%～30%。在國內工程機械行業(yè)中,高強度耐磨鋼板應用較少,主要用于裝載機鏟斗主刀板材料。龍工機械廠、廈門工程機械廠等均以生產ZL50型裝載機為主,占全國總量的40%。主刀板下料尺寸(單位:mm)約為(30～32)×(250～300)×(2800～3000),要求耐磨鋼板雙定尺交貨。全國裝載機年產量大約為10萬臺,耐磨板用量約2萬t。3.3高強度耐磨鋼目前,國內高強度耐磨鋼的開發(fā)和應用已取得了可喜發(fā)展。一些鋼鐵企業(yè)已研制出相當數(shù)量的耐磨鋼品種,并逐步系列化。但我國尚未形成通用化、系列化的高強度耐磨鋼標準,強度體系還很不完善。國內高強度耐磨鋼產品與國外先進水平存在著一定的差距,要走的路還很長。今后高強度耐磨鋼的發(fā)展方向仍是在系列化和經濟性兩個方面。(1)低合金耐磨鋼的標準體系一方面通過改進生產工藝、調整成分,進一步提高現(xiàn)有鋼種的性能,擴大其應用范圍;另一方面開發(fā)更高強度級別耐磨鋼,建立從低碳到高碳、適用于不同工況條件的低合金耐磨鋼系列,最終形成一個較為完整的通用化、系列化的標準體系。但就目前國內高強度耐磨板的生產技術及市場現(xiàn)狀而言,要加快HB500級別以上高強度耐磨板的開發(fā)進程,還有待于國內使用材料及零件強度的整體提升。(2)低合金高強度耐磨鋼從資源能源、節(jié)約成本、技術等角度出發(fā),發(fā)展低合金高強度耐磨