高強(qiáng)度耐磨鋼的應(yīng)用

高強(qiáng)度耐磨鋼的應(yīng)用

0高強(qiáng)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(zāi)難性的危害,但其造成的經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)驚人。在冶金礦山、農(nóng)機(jī)、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(dá)國家,機(jī)械裝備及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(dá)百萬噸以上,僅煤礦用刮板輸送機(jī)中部槽每年就消耗6～8萬t鋼板。因此,加強(qiáng)高強(qiáng)度耐磨鋼的開發(fā)應(yīng)用,對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要的意義。近幾十年來,高強(qiáng)度耐磨鋼的開發(fā)與應(yīng)用發(fā)展很快。這類鋼是在低合金高強(qiáng)度可焊接鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,耐磨性能好,使用壽命可達(dá)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼板的數(shù)倍;生產(chǎn)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(jìn)行強(qiáng)化。高強(qiáng)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(chǎn)高強(qiáng)度耐磨鋼。我國在高強(qiáng)度耐磨鋼的開發(fā)方面起步較晚,在近10年陸續(xù)引進(jìn)工程機(jī)械制造技術(shù)后,才打破了傳統(tǒng)16Mn鋼的低級別狀態(tài),開始向經(jīng)濟(jì)型和高性能方向發(fā)展。1高強(qiáng)材料的應(yīng)用高強(qiáng)度耐磨鋼合金元素含量較少,一般為1%～3%。通常所含的化學(xué)元素有Si、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Ti、B、Cu、Re等,表1給出了進(jìn)口高強(qiáng)度耐磨板主要牌號化學(xué)成分。國內(nèi)鋼廠生產(chǎn)高強(qiáng)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(qiáng)度一般大于1000MPa,是目前碳鋼板材供貨狀態(tài)下強(qiáng)度最高的產(chǎn)品之一。高強(qiáng)度耐磨鋼廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械、煤炭采運(yùn)、工程機(jī)械及水泥設(shè)備等方面,可以滿足大型工程機(jī)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(jī)、裝載機(jī)的鏟刀、鏟斗、煤礦開采用電鏟、自動裝卸礦用車及刮板運(yùn)輸機(jī)槽底襯板等。此外,凡是機(jī)械中有相對運(yùn)動的工件間均會產(chǎn)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(qiáng)度耐磨鋼目前,國外高強(qiáng)度耐磨鋼牌號比較齊全,力學(xué)性能等基本上可以滿足各種使用要求。國外該類鋼的生產(chǎn)和應(yīng)用已趨于穩(wěn)定。發(fā)達(dá)國家的一些鋼鐵公司已經(jīng)有了自己的系列產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn),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(jì)50～60年代開始生產(chǎn)高強(qiáng)度耐磨鋼,能夠穩(wěn)定供應(yīng)厚度6～100mm、HB300～600各級別耐磨鋼產(chǎn)品,并為大多數(shù)使用環(huán)境提出適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案,并在高磨損環(huán)境中得到了成功的應(yīng)用。在這些高強(qiáng)度耐磨鋼產(chǎn)品中,日本JFE生產(chǎn)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(jìn)行校正的產(chǎn)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(jìn)的四輥軋機(jī)、全自動化淬火和回火裝備,生產(chǎn)工藝先進(jìn),可生產(chǎn)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(qiáng)度的耐磨鋼HARDOXEXTREME,達(dá)到HB700級別。3我國高強(qiáng)度耐腐鋼生產(chǎn)現(xiàn)狀及市場需求3.1下一步的試驗結(jié)果一直以來,我國基礎(chǔ)零件的耐磨性普遍明顯低于國外先進(jìn)產(chǎn)品的水平。近幾年我國耐磨鋼領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展取得了長足進(jìn)步,武鋼、鞍鋼、寶鋼、舞陽、太鋼等中厚板廠均能夠穩(wěn)定供應(yīng)HB400強(qiáng)度級別以下的耐磨鋼板,部分廠家可生產(chǎn)HB500以下強(qiáng)度級別的耐磨鋼板。目前,HB400以上強(qiáng)度級別耐磨鋼仍主要依賴進(jìn)口。我國耐磨鋼產(chǎn)品強(qiáng)度級別、性能與國外產(chǎn)品相比還有不小差距。國內(nèi)高強(qiáng)度耐磨鋼成分設(shè)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(jīng)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(chǎn)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(fù)相組織。目前,國內(nèi)主要鋼廠生產(chǎn)的高強(qiáng)度耐磨鋼產(chǎn)品質(zhì)量基本上處于同一水平。武鋼開發(fā)高強(qiáng)度耐磨鋼板最早,設(shè)備較先進(jìn),產(chǎn)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(chǎn)厚度8～80mm、寬度1600～2500mm的耐磨鋼板。太鋼高強(qiáng)度耐磨鋼板板形較好,不平度可控制在4mm/m以內(nèi),達(dá)到進(jìn)口耐磨板板形水平。國內(nèi)高強(qiáng)度耐磨鋼板的生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展時間并不長,與開發(fā)歷時近半個世紀(jì)的國外廠家相比,熱處理工藝還不成熟,整體成分設(shè)計合金含量較高,通過合金元素強(qiáng)化基體的同時,必然造成了部分塑、韌性的損失。國外先進(jìn)廠家則通過成熟的生產(chǎn)及熱處理技術(shù)手段,獲得均勻細(xì)小的組織,達(dá)到良好的強(qiáng)度和塑韌性。表2為部分國產(chǎn)HB360級別和進(jìn)口HB400級別耐磨鋼板成品的典型力學(xué)性能數(shù)據(jù)?？梢?與進(jìn)口耐磨鋼板相比,國產(chǎn)耐磨鋼板低溫沖擊韌性普遍較低;進(jìn)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(nèi)外部分高強(qiáng)度耐磨鋼板生產(chǎn)廠裝備情況。3.2高強(qiáng)度耐磨性鋼板主要使用情況據(jù)市場調(diào)查統(tǒng)計,國內(nèi)煤炭機(jī)械行業(yè)用HB360～450級別高強(qiáng)度耐磨鋼板約40000t/a,產(chǎn)品厚度范圍主要為10～50mm。HB500級別及以上耐磨板國內(nèi)市場需求小,僅少量應(yīng)用于外資企業(yè),如美國的久益公司(生產(chǎn)刮板運(yùn)輸機(jī))、卡特彼勒(生產(chǎn)大型動輸車)等,且主要為進(jìn)口板。隨著國內(nèi)近年來該類行業(yè)加大安全生產(chǎn)投入,耐磨鋼板用量呈上升態(tài)勢。煤炭機(jī)械制造用高強(qiáng)度耐磨鋼板一般用于大型煤礦綜采設(shè)備中的中重型(功率≥2×220kW)刮板輸送機(jī)的制造,中小煤礦的輕型刮板輸送機(jī)一般不用耐磨板而用Q345B中板。國內(nèi)煤炭機(jī)械用高強(qiáng)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(jī)械有限公司、山西煤礦機(jī)械制造有限公司(表4),這三家廠的用量占煤機(jī)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(jī)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(nèi)工程機(jī)械行業(yè)中,高強(qiáng)度耐磨鋼板應(yīng)用較少,主要用于裝載機(jī)鏟斗主刀板材料。龍工機(jī)械廠、廈門工程機(jī)械廠等均以生產(chǎn)ZL50型裝載機(jī)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(jī)年產(chǎn)量大約為10萬臺,耐磨板用量約2萬t。3.3高強(qiáng)度耐磨鋼目前,國內(nèi)高強(qiáng)度耐磨鋼的開發(fā)和應(yīng)用已取得了可喜發(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,并逐步系列化。但我國尚未形成通用化、系列化的高強(qiáng)度耐磨鋼標(biāo)準(zhǔn),強(qiáng)度體系還很不完善。國內(nèi)高強(qiáng)度耐磨鋼產(chǎn)品與國外先進(jìn)水平存在著一定的差距,要走的路還很長。今后高強(qiáng)度耐磨鋼的發(fā)展方向仍是在系列化和經(jīng)濟(jì)性兩個方面。(1)低合金耐磨鋼的標(biāo)準(zhǔn)體系一方面通過改進(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(biāo)準(zhǔn)體系。但就目前國內(nèi)高強(qiáng)度耐磨板的生產(chǎn)技術(shù)及市場現(xiàn)狀而言,要加快HB500級別以上高強(qiáng)度耐磨板的開發(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)低合金高強(qiáng)度耐磨鋼從資源能源、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