耐磨鋼的生產(chǎn)與應(yīng)用

耐磨鋼的生產(chǎn)與應(yīng)用

1耐磨鋼的應(yīng)用磨損、侵蝕和斷裂是材料的三種失敗方法。耐磨鋼是廣泛用于各種磨損工況的一類耐磨材料,100多年來,新的耐磨鋼鋼種層出不窮,其冶煉、鑄造、熱處理和機(jī)加工工藝不斷改進(jìn),耐磨鋼的綜合力學(xué)性能、耐磨性能和使用壽命逐步提高。耐磨鋼廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、建材、電力、鐵路和軍事等各個(gè)領(lǐng)域中,重點(diǎn)部件包括挖掘機(jī)斗齒、球磨機(jī)襯板、破碎機(jī)顎板、破碎壁、軋臼壁、拖拉機(jī)履帶板、風(fēng)扇磨沖擊板和鐵路道岔等。據(jù)統(tǒng)計(jì),機(jī)械裝備及其零件的磨損所造成的經(jīng)濟(jì)損失占國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值4%左右。因此,解決磨損和延長部件的使用壽命成為設(shè)計(jì)、制造和使用各種機(jī)械設(shè)備時(shí)所需要考慮的首要問題,耐磨材料已成為影響現(xiàn)代生產(chǎn)效率的重要因素。2耐磨性鋼板tsk目前,我國鋼鐵普通產(chǎn)品供大于求,而高附加值品種還不能完全滿足下游行業(yè)的需要。我國厚板軋機(jī)主要有鞍鋼4300、舞鋼4200、上海浦東4200和寶鋼5000軋機(jī),新建、在建的多以3500、3800、4300、5000mm的四輥單機(jī)架或雙機(jī)架為主,這些軋機(jī)采用大軋制壓力、高剛度、大功率設(shè)計(jì),為實(shí)現(xiàn)TMCP工藝生產(chǎn)高質(zhì)量、高性能中厚板創(chuàng)造了條件。國內(nèi)能生產(chǎn)高強(qiáng)度耐磨鋼的廠家主要有舞鋼、武鋼、寶鋼、南鋼等,主要品種為NM360~400。我國年消耗耐磨鋼30萬~60萬t,通常使用的鋼板厚度為6~80(100)mm。在耐磨鋼生產(chǎn)工藝設(shè)備方面,我國先后從國外引進(jìn)數(shù)條機(jī)械化自動化生產(chǎn)線,并發(fā)展了結(jié)合國情的新型工藝設(shè)備。同時(shí),采用爐外精煉與連鑄等煉鋼工藝新技術(shù),使產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量、外觀質(zhì)量和使用性能都得到明顯提高,金屬消耗大幅度降低。一些廠家產(chǎn)品已達(dá)到或超過國際水平,出口到東南亞、日本、南非、美國、澳大利亞等地,如舞鋼生產(chǎn)的硬度HB≥360級的可焊接高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用耐磨鋼板,所制造的設(shè)備適用于高磨損、高沖擊的場合,也可作為屈服強(qiáng)度≥700MPa的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼使用。在不損失強(qiáng)度的前提下,鋼板具有良好的沖擊韌性及焊接性能,另外,沈重開發(fā)研制了硬度達(dá)HB360的NMG360耐磨鋼板,其性能指標(biāo)基本達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平。當(dāng)前國外生產(chǎn)耐磨鋼板的著名廠家和產(chǎn)品有:瑞典奧克隆德生產(chǎn)的HARDOX系列;德國迪林根的400V和500V;德國蒂森克虜伯(TKS)的XAR400、XAR450、XAR500;日本JFE的EH360、EH400和EH500等。瑞典鋼鐵奧克隆德有限公司是SSAB瑞典鋼鐵集團(tuán)的成員之一,擁有全球領(lǐng)先的淬火和回火高端技術(shù),是世界最大的耐磨鋼板和超高強(qiáng)度鋼板制造商,在世界淬火中厚鋼板市場中占據(jù)60%的份額,其HARDOXExtreme耐磨鋼板硬度達(dá)到HB700。20世紀(jì)60年代中期,德國TKS生產(chǎn)的具有高耐磨性能的特殊結(jié)構(gòu)鋼板經(jīng)淬火或調(diào)質(zhì)熱處理,具有致密的馬氏體或馬氏體-貝氏體顯微結(jié)構(gòu),鋼板厚度最大可達(dá)100mm。日本JFE20世紀(jì)50年代中期開始生產(chǎn)和銷售JFEEVERHARD系列耐磨鋼板,除傳統(tǒng)級別外,還成功研發(fā)了超級耐磨鋼EH-SP,其耐磨性能已超過布氏硬度500級的鋼板。3抗研磨鋼的研究現(xiàn)狀3.1高碳材料的應(yīng)用20世紀(jì)80年代,康沫狂教授提出了“準(zhǔn)貝氏體”這一概念,國內(nèi)外許多學(xué)者對其力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究。典型準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼的成分見表1。通過研究表明,準(zhǔn)貝氏體鋼的組織由貝氏體鐵素體和殘余奧氏體組成,具有較高的強(qiáng)度和韌性,而碳化物的存在,嚴(yán)重影響了鋼的性能。在準(zhǔn)貝氏體鋼中加入Si、Al等合金元素,能有效阻止碳化物的出現(xiàn)。準(zhǔn)貝氏體組織中的殘余奧氏體是碳的過飽和固溶體,磨損時(shí)在外力作用下部分殘余奧氏體發(fā)生誘發(fā)馬氏體相變,形成高碳馬氏體,形成硬質(zhì)點(diǎn)。準(zhǔn)貝氏體類似于低碳馬氏體,具有良好的強(qiáng)韌性和較高的破斷抗力,硬質(zhì)點(diǎn)耐磨,基體破斷抗力高,磨粒不易斷裂和脫落,使耐磨性提高。葛兵在典型貝氏體鋼的成分基礎(chǔ)上加入阻止碳化物析出的元素Si,開發(fā)出以貝氏體鐵素體和殘余奧氏體組成的準(zhǔn)貝氏體組織的高強(qiáng)耐磨鋼,并對其相關(guān)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,在適當(dāng)?shù)墓に囅落摪蹇色@得最佳的綜合性能,具有良好的強(qiáng)韌性、耐磨性和焊接性。程巨強(qiáng)等研究了熱軋、低溫回火和熱軋、正火、低溫回火及軋態(tài)不同溫度回火工藝對新型HB400級高強(qiáng)度準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼板的組織和力學(xué)性能及耐磨性能的影響。結(jié)果表明,該鋼板具有良好的強(qiáng)韌性及耐磨性能,低溫回火可以改善耐磨鋼板的韌性,新型耐磨鋼板具有較強(qiáng)的回火抗力。用準(zhǔn)貝氏體鋼生產(chǎn)高強(qiáng)度耐磨板具有生產(chǎn)工藝簡單、成本低廉等特點(diǎn)。張亞麗等通過TMCP工藝改善了準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼板的性能,加快了生產(chǎn)節(jié)奏,達(dá)到了高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目的。3.2cr元素及熱處理方法高錳鋼是指w(C)=1.0%~1.4%,w(Mn)=11%~14%的鋼,經(jīng)1000~1100℃水韌處理,可獲得單一奧氏體組織,具有高的韌性和加工硬化性能。高錳鋼自1882年問世以來,已得到廣泛的應(yīng)用,我國20世紀(jì)50~60年代幾乎把高錳鋼作為萬能的耐磨材料使用,但在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),高錳鋼的耐磨性是有條件的,只有在沖擊大、應(yīng)力高、磨料硬的情況下,高錳鋼才耐磨,而且其屈服強(qiáng)度低、易于變形。因此,在許多領(lǐng)域已逐漸為其他耐磨材料所代替。新型奧氏體錳鋼是傳統(tǒng)高錳鋼的理想替代產(chǎn)品,在降低C、Mn含量的同時(shí),加入Cr元素,可以彌補(bǔ)C、Mn含量降低后帶來鋼的機(jī)械性能的不足。在工件經(jīng)受強(qiáng)烈沖擊或重力擠壓的工況條件下,高錳鋼表面迅速硬化,硬度可以從HB170提高到HB500,而心部依舊保持原有的硬度和韌性,因此廣泛用作沖擊磨損的工件。通過提高C含量可以提高奧氏體錳鋼的抗磨性,但單純提高C含量會導(dǎo)致組織中沿晶界呈網(wǎng)狀分布碳化物和晶內(nèi)針狀碳化物增多。為避免該形式的碳化物析出,一般需加入Mo、Nb等元素和進(jìn)行復(fù)雜的熱處理,形成過飽和單相奧氏體,提高錳鋼的韌性。由于在熱處理過程中,碳化物溶解的同時(shí),容易伴隨發(fā)生奧氏體晶粒的長大,從而影響材料性能。因此,對于錳鋼中出現(xiàn)的針狀碳化物,一般采用以下兩種處理方法:1)在合金中加入降低碳原子擴(kuò)散能力的元素(如Mn),抑制碳化物的析出,從而研制出新型超高錳鋼。2)通過變質(zhì)處理,改善鑄態(tài)中錳鋼“碳化物”形態(tài)和分布,使其團(tuán)球化、細(xì)化并彌散分布于基體中,以提高材料的強(qiáng)韌性和耐磨性。在軋制工藝方面,徐文亮等提出了用深度軋制的方法對高錳鋼進(jìn)行預(yù)變形表面硬化處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨形變量的增加,組織內(nèi)位錯(cuò)及孿晶密度也隨之增大,晶粒大大細(xì)化。這是因?yàn)樯疃壤滠埖母咤i鋼表面形成的高密度位錯(cuò)及孿晶組織改善了鑄造高錳鋼產(chǎn)生的各向異性、氣孔等缺陷,能有效阻止磨粒造成的磨損表面的脆性剝落,同時(shí),高錳鋼良好的心部韌性也將減少其磨損過程中的疲勞剝落。該軋制方法對提高高錳鋼使用效率及應(yīng)用范圍具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。3.3耐磨鋼的性能低合金馬氏體鋼采用Cr、Ni和Mo等元素合金化,得到組織為高硬度高強(qiáng)度以及較好韌性的馬氏體組織,熱處理工藝為淬火加回火。低合金耐磨鋼過冷奧氏體比較穩(wěn)定,回火是為了降低或消除淬火引起的殘余應(yīng)力及提高材料的塑韌性,降低其脆性,獲得硬度、塑性和韌性的適當(dāng)配合。低合金馬氏體鋼中具有高硬度的高位錯(cuò)板條狀馬氏體,能夠較好地抵抗磨損時(shí)裂紋的擴(kuò)展,同奧氏體高錳鋼相比,在中等沖擊磨損條件下,該鋼種具有優(yōu)越的綜合機(jī)械性能。但缺憾之處在于它主要靠馬氏體基體硬度來抗磨,在高應(yīng)力磨料磨損條件下,耐磨性提高不多,同時(shí),其對化學(xué)成分控制和熱處理工藝要求也較高。典型馬氏體耐磨鋼的成分見表2。碳對低合金耐磨鋼的性能影響很大,一般隨著碳含量的增加,鋼的硬度會有較大的提高,但其塑性、韌性也會明顯下降。Cr顯著改善耐磨鋼的抗氧化性,提高淬透性,增加其抗腐蝕的能力,提高耐磨性。Ni在提高耐磨鋼強(qiáng)度的同時(shí),對其韌性、塑性以及工藝性能的損害較其他合金元素的影響小。Mo能促使馬氏體的形成,增加淬透性并提高碳化物的穩(wěn)定性;Si提高耐磨鋼中固溶體的強(qiáng)度并能增加其回火穩(wěn)定性;Mn能降低臨界冷卻速度,并且是好的脫氧劑和脫硫劑;B能成倍地增加材料的淬透性;稀土能改善耐磨鋼的組織、細(xì)化晶粒、凈化鋼液。劉榮等研究了淬火和回火溫度對耐磨鋼性能的影響,并利用掃描電鏡等儀器對其性能進(jìn)行了檢驗(yàn)分析。張清輝等研究了貝氏體-馬氏體耐磨鋼板的組織及力學(xué)性能。結(jié)果表明,在低碳貝氏體鋼基礎(chǔ)上,通過加入一定量的Si,利用其在貝氏體組織轉(zhuǎn)變過程中抑制碳化物析出的作用,得到由非等軸鐵素體加馬氏體和殘留奧氏體島或由板條狀鐵素體及其板條間殘留奧氏體膜組成的貝氏體-馬氏體組織,因此這種鋼既具有高強(qiáng)度、高硬度,又具有較高的低溫沖擊韌性。4對策三:加快低合金高強(qiáng)度耐磨鋼的開發(fā)進(jìn)程目前,國內(nèi)高強(qiáng)度耐磨鋼的開發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)有了較大發(fā)展,一些鋼鐵企業(yè)已研制出相當(dāng)數(shù)量的耐磨鋼品種。今后高強(qiáng)度耐磨鋼仍是向系列化和經(jīng)濟(jì)性兩方面發(fā)展。1)系列化。一方面通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝、調(diào)整成分,進(jìn)一步提高現(xiàn)有鋼種的性能,擴(kuò)大其應(yīng)用范圍;另一方面開發(fā)更高強(qiáng)度級別的耐磨鋼,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。就目前國內(nèi)高強(qiáng)度耐磨鋼的生產(chǎn)技術(shù)及市場現(xiàn)狀而言,要加快HB500以上級別的高強(qiáng)度耐磨鋼的開發(fā)進(jìn)程,還有待于國內(nèi)使用材料及零件強(qiáng)度的整體提升。2)經(jīng)濟(jì)性。從資源能源、節(jié)約成本、技術(shù)等角度出發(fā),發(fā)展低合金高強(qiáng)度耐磨鋼是必然趨勢。只有在保證耐磨鋼力學(xué)性能和使用性能的同時(shí),兼顧其經(jīng)濟(jì)性,才能被用戶批量