高性能耐磨鋼的研究與發(fā)展

高性能耐磨鋼的研究與發(fā)展

0試驗研究的意義磨損是金屬最重要的破壞形式之一。據統(tǒng)計,由磨損造成的經濟損失是相當驚人的,我國每年因球磨機磨球磨損消耗近200萬t材料,各種破碎機襯板消耗近50萬t,軋輥消耗近60萬t,各種工程挖掘機、裝載機、輸送管道、破碎機錘頭和鄂板等消耗超過50萬t,因此對高性能耐磨鋼的研究具有重大的意義。耐磨鋼是具有較高耐磨損性鋼鐵材料的總稱,廣泛應用于冶金、礦山、機械和鐵路等領域。耐磨鋼種類繁多,大體上可分為高錳鋼,中、低合金耐磨鋼,鉻鉬硅錳鋼,耐氣蝕鋼,耐磨蝕鋼以及特殊耐磨鋼等。低合金高強度(不低于1000MPa)耐磨鋼具有硬度高(不低于360HB)、焊接性能好等特點,具有良好的加工性能和耐磨性能,使用壽命是傳統(tǒng)結構鋼板的數倍;此外,其生產工藝簡單,一般采用軋后淬火加回火,或者通過控軋控冷工藝進行強化。日本、德國及瑞典等國的一些鋼鐵公司都早已生產出先進低合金高強度耐磨鋼,我國在近10a才打破生產傳統(tǒng)低級別耐磨鋼的現狀,正向經濟型和高性能方向發(fā)展,并取得了較大的進展。為了給相關研究、生產、使用的技術人員提供參考,作者對我國低合金高強度耐磨鋼的生產現狀作一簡要介紹,并對比了與國外的主要差距,指出了今后發(fā)展的方向。1國內所生產的高強耐磨鋼低合金高強度耐磨鋼通常采用鉻、鎳、鉬等元素進行合金化,然后通過淬火與低溫回火獲得回火馬氏體組織。目前國外生產此類耐磨鋼板的著名廠家有瑞典奧克隆德、德國迪林根、德國蒂森克虜伯、日本的JFE等,其中,瑞典奧克隆德生產的產品有HARDOX系列,硬度高達600HB;德國迪林根的產品有400V和500V牌號,德國蒂森克虜伯有XAR400、XAR450、XAR500等牌號,日本JFE生產的EH400和EH500等鋼種都具有優(yōu)良的耐磨性能?，F國內能生產低合金高強度耐磨鋼的廠家主要有舞鋼、武鋼、寶鋼、南鋼等,鞍鋼也已開發(fā)出了AM360、AM400、AM450耐磨鋼,但國產產品性能穩(wěn)定性和整體品質與國外產品相比還存在一定差距。瑞典奧克隆德的HARDOX400、450鋼是多用途耐磨鋼板,具有高韌性、良好的彎曲和焊接性能。HARDOX500是一種細晶粒無碳化物馬氏體和貝氏體耐磨鋼板,可用于對耐磨性能要求更高的領域。HARDOX550是一種平均硬度為550HB的耐磨鋼板,其韌性與HARDOX500的相同,應用于高磨損場合,但硬度比后者提高了50HB,故而延長了耐磨壽命;HARDOX600是目前世界上最硬的耐磨鋼板,硬度達到600HB。我國近年在低合金馬氏體耐磨鋼研究方面有很大進展。如中國舞陽鋼廠生產的WNM360~500系列耐磨鋼是國內耐磨鋼的代表,具有500萬t鋼、360萬t寬厚板的生產能力。國外生產的耐磨鋼,布氏硬度覆蓋200~600HB,厚度規(guī)格覆蓋6~120mm;而舞鋼生產的耐磨鋼的厚度規(guī)格只有8~80mm,鞍鋼生產的耐磨鋼的厚度規(guī)格目前只有20~60mm,與國外先進水平存在較大差距。國內外企業(yè)耐磨鋼生產能力的對比如表1所示。2硅、鉻和硼等聚合物添加劑低合金高強度耐磨鋼中各元素的主要作用如下:碳是影響耐磨鋼組織和性能的主要元素,也是提高硬度最經濟有效的元素,一般來說,隨著碳含量的增加,抗拉強度、屈服強度、硬度均隨之增加,但還須通過添加其它合金元素來進一步提高硬度,改善韌性。錳是顯著提高淬透性的元素,能提高鋼的強度和耐磨性,而且錳的礦產資源豐富,價格低廉,是低合金高強度耐磨鋼的主加元素,錳與硼配合可擴大鋼的貝氏體轉變區(qū),在較大冷速范圍內得到貝氏體和馬氏體的混合組織。硅的主要作用是在冶煉時脫氧,生產淬火、回火馬氏體耐磨鋼時用于改善馬氏體的回火穩(wěn)定性,提高回火溫度,獲得較好的綜合性能。鉻、鉬都是提高淬透性和回火穩(wěn)定性的元素,還能提高鋼的強度、硬度和耐磨性,但鉻、鉬元素價格都比較高,可采用較低鉻、鉬含量的成分設計,向鋼中添加微量的鈮、礬、鈦元素起析出強化、細化晶粒的作用,從而提高鋼的強度、改善鋼的韌性。硼的加入對淬透性具有積極影響,在小于0.005%(質量分數)時能較好發(fā)揮出來,起延緩多邊形鐵素體相變、促進微細貝氏體形成的作用。德國蒂森克虜伯XAR系列耐磨鋼的化學成分范圍見表2,德國迪林根DILLIDUR系列耐磨鋼板化學成分如表3所示,國內部分鋼廠耐磨鋼的化學成分(最高限值)如表4所示。從表2~4中可看出,國內外生產低合金耐磨鋼時多采用鉻、鉬或鉻、鎳、鉬合金體系,此成分體系可以通過淬火和低溫回火的熱處理工藝獲得回火馬氏體組織。由于馬氏體的高密度位錯、細小的孿晶、碳的偏聚以及馬氏體的間隙固溶,使馬氏體鋼具有較高的強度和硬度,其屈服強度達1100MPa以上,硬度達到330~400HB,能滿足一般機械構件的使用要求。但這種靠馬氏體基體硬度來抗磨的耐磨鋼,在高應力磨料磨損條件下,耐磨性顯得不夠,對于一些復雜、具有高沖擊應力的工作環(huán)境,需要進一步提高耐磨鋼的強度和硬度以及耐磨性,研制開發(fā)出具有更高硬度級別的耐磨鋼。3制備大尺寸材料需要做從冶煉工藝上來講,低合金高強度耐磨鋼的生產需要嚴格控制鋼的化學成分,故而常采用爐外精煉、吹氬脫氣等技術來降低鋼中的有害氣體、夾雜物及硫、磷含量,提高鋼的純度,這方面各大型鋼企的技術已經比較成熟,為低合金高強度耐磨鋼的生產提供了必要的保證。回火馬氏體耐磨鋼一般不采取控制軋制,而是在高溫直接軋制到目標厚度,然后進行離線淬火再低溫回火。如果要獲得貝氏體與馬氏體的復合組織,并且盡量使晶粒細化,提高耐磨鋼的綜合性能,最經濟有效的方法是控制軋制與控制冷卻(控軋控冷),通過控軋控冷可以使鋼材的強度和韌性同時提高,而且能節(jié)約熱處理過程造成的能源消耗,簡化生產工序,提高生產效率。控制軋制工藝采用高溫奧氏體再結晶區(qū)和未再結晶區(qū)軋制,控制變形奧氏體的再結晶數量,盡可能達到完全再結晶,爭取在高溫條件下軋制較多道次,并適當延長軋后停留時間,增加變形奧氏體的再結晶數量,使組織均勻化。待鋼材溫度降到奧氏體未再結晶區(qū)時進行二階段軋制,保證未再結晶區(qū)總壓下率大于45%,并適當加大道次變形量,為奧氏體向鐵素體相變形核創(chuàng)造條件,增加形核部位,達到細化鐵素體晶粒的目的。軋后通過控制冷卻來控制相變條件、碳化物的析出行為等獲得需要的貝氏體和馬氏體復合組織和強韌性的要求。一般耐磨鋼生產工藝路線如下:鐵液預處理→轉爐冶煉→爐外精煉(LF)→真空處理(VD或RH)→微鈦處理→板坯連鑄(電磁攪拌)→加熱→軋制→控制冷卻(離線熱處理)。4下貝氏體的耐磨性和殘余常以提高力具有良好耐磨性的耐磨鋼應具有較高的硬度和足夠的韌性。傳統(tǒng)高錳耐磨鋼的鑄態(tài)組織是奧氏體、馬氏體、碳化物的混合組織,水韌處理后為單一奧氏體組織。高錳鋼的主要特征是屈服強度低,具有良好的韌性和加工硬化能力,即在強烈沖擊載荷或擠壓載荷作用下,受力表面得到加工硬化,從而具有良好的耐磨性,但其使用范圍受到限制。低合金耐磨鋼中淬硬態(tài)的組織有馬氏體(包括板條馬氏休和片狀馬氏體)、貝氏體(上、下貝氏體)、殘余奧氏體和未溶碳化物等。板條馬氏體在準解理斷裂時消耗較多的斷裂功,從而提高了韌性,而片狀馬氏體斷裂時伴有的微裂紋導致其較脆,因此板條馬氏體的韌性高于片狀馬氏體的;下貝氏體以不同位向的鐵素體板條為最小斷裂單元,其韌性較相同硬度的回火馬氏體高,也高于上貝氏體的。貝氏體板條極細,碳含量較高,碳化物多以微細顆粒均勻分布在基體上,組織內應力較低,具有較高的抗變形能力,其耐磨性高于回火馬氏體鋼的;殘余奧氏體存在于馬氏體板條或馬氏體片間,也存在于下貝氏體組織中,因其能使應力松馳,阻礙裂紋擴展,所以材料斷裂時吸收能量增加,從而使韌性改善;未溶碳化物會引起應力集中,形成裂紋源,有利于裂紋擴展,加速脆斷,降低韌性。不同組織鋼的耐磨性取決于硬度和韌性,在硬度相近時韌性良好的組織具有良好的耐磨性。板條馬氏體的耐磨性優(yōu)于片狀馬氏體的;下貝氏體的耐磨性高于相同硬度回火馬氏體的。殘余奧氏體的作用取決于磨損類型:在低應力磨損下,殘余奧氏體增多,硬度降低,耐磨性下降;高應力與沖擊不大的磨損條件下,殘余奧氏體增加,抑制了裂紋形成和擴展,阻礙變形和剝層疲勞磨損,從而提高耐磨性。在較大沖擊條件下,如大磨機中的磨球,過多殘余奧氏體對耐磨性不利,因為在沖擊變形中殘余奧氏體發(fā)生馬氏體相變,體積膨脹,應力集中導致發(fā)生脆性剝落;在M/A島中細小彌散的碳化物對耐磨性有利,而在基體中分布的大塊未溶碳化物,在高應力較大沖擊下作為裂紋源引起脆性斷裂剝落,對耐磨性不利。根據以上分析,低合金高強度耐磨鋼通過合金元素控制和淬火、低溫回火可獲得板條馬氏體和殘余奧氏體的復合組織;下貝氏體或貝氏體、馬氏體的復合組織,可通過等溫處理或連續(xù)冷卻獲得,其耐磨性高于單純馬氏體組織的。XAR和舞鋼生產的部分耐磨鋼組織、硬度如表5所示。5低合金高強耐磨鋼的發(fā)展趨勢在高強度馬氏體基體上分布一定的下貝氏體,可在保持較高強度的前提下顯著提高材料的塑性、沖擊和斷裂韌度,同時具有較高的抗磨損能力。國內目前生產的多是回火馬氏體組織低合金耐磨鋼,而國外生產的是部分貝氏體和馬氏體復合組織的耐磨鋼,這是其性能優(yōu)于國內耐磨鋼的重要原因;另外我國耐磨鋼的純凈度、生產工藝穩(wěn)定性也與國外存在一定差距,使得鋼材組織和成分的均勻性較差,這是耐磨鋼性能低于國外的另一主要原因。因此,在合金鋼的冶煉過程中,通過尋求合適的化學成分及組織設計,優(yōu)化生產工藝獲得均勻穩(wěn)定的貝氏體和馬氏體復合組織,是低合金高強度耐磨鋼發(fā)展的一個重要方向。在原材料上漲等眾多要素導致的嚴峻形勢下,耐磨鋼生產企業(yè)要做大做強,需要開發(fā)少用鉻、鉬或不用鉻、鉬的鋼鐵材料,通過提高純凈鋼的冶煉技術,研究在線淬火技術和超快速冷卻技術在耐磨鋼上的應用,挖掘現有低成本材料的潛力,生產低成本高性能的耐磨鋼是一個重要的