高性能耐磨鋼的研究與發(fā)展

0試驗(yàn)研究的意義磨損是金屬最重要的破壞形式之一。據(jù)統(tǒng)計(jì),由磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失是相當(dāng)驚人的,我國(guó)每年因球磨機(jī)磨球磨損消耗近200萬(wàn)t材料,各種破碎機(jī)襯板消耗近50萬(wàn)t,軋輥消耗近60萬(wàn)t,各種工程挖掘機(jī)、裝載機(jī)、輸送管道、破碎機(jī)錘頭和鄂板等消耗超過(guò)50萬(wàn)t,因此對(duì)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(yīng)用于冶金、礦山、機(jī)械和鐵路等領(lǐng)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(qiáng)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(diǎn),具有良好的加工性能和耐磨性能,使用壽命是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼板的數(shù)倍;此外,其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單,一般采用軋后淬火加回火,或者通過(guò)控軋控冷工藝進(jìn)行強(qiáng)化。日本、德國(guó)及瑞典等國(guó)的一些鋼鐵公司都早已生產(chǎn)出先進(jìn)低合金高強(qiáng)度耐磨鋼,我國(guó)在近10a才打破生產(chǎn)傳統(tǒng)低級(jí)別耐磨鋼的現(xiàn)狀,正向經(jīng)濟(jì)型和高性能方向發(fā)展,并取得了較大的進(jìn)展。為了給相關(guān)研究、生產(chǎn)、使用的技術(shù)人員提供參考,作者對(duì)我國(guó)低合金高強(qiáng)度耐磨鋼的生產(chǎn)現(xiàn)狀作一簡(jiǎn)要介紹,并對(duì)比了與國(guó)外的主要差距,指出了今后發(fā)展的方向。1國(guó)內(nèi)所生產(chǎn)的高強(qiáng)耐磨鋼低合金高強(qiáng)度耐磨鋼通常采用鉻、鎳、鉬等元素進(jìn)行合金化,然后通過(guò)淬火與低溫回火獲得回火馬氏體組織。目前國(guó)外生產(chǎn)此類耐磨鋼板的著名廠家有瑞典奧克隆德、德國(guó)迪林根、德國(guó)蒂森克虜伯、日本的JFE等,其中,瑞典奧克隆德生產(chǎn)的產(chǎn)品有HARDOX系列,硬度高達(dá)600HB;德國(guó)迪林根的產(chǎn)品有400V和500V牌號(hào),德國(guó)蒂森克虜伯有XAR400、XAR450、XAR500等牌號(hào),日本JFE生產(chǎn)的EH400和EH500等鋼種都具有優(yōu)良的耐磨性能?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)能生產(chǎn)低合金高強(qiáng)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(guó)產(chǎn)產(chǎn)品性能穩(wěn)定性和整體品質(zhì)與國(guó)外產(chǎn)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(xì)晶粒無(wú)碳化物馬氏體和貝氏體耐磨鋼板,可用于對(duì)耐磨性能要求更高的領(lǐng)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(yīng)用于高磨損場(chǎng)合,但硬度比后者提高了50HB,故而延長(zhǎng)了耐磨壽命;HARDOX600是目前世界上最硬的耐磨鋼板,硬度達(dá)到600HB。我國(guó)近年在低合金馬氏體耐磨鋼研究方面有很大進(jìn)展。如中國(guó)舞陽(yáng)鋼廠生產(chǎn)的WNM360~500系列耐磨鋼是國(guó)內(nèi)耐磨鋼的代表,具有500萬(wàn)t鋼、360萬(wàn)t寬厚板的生產(chǎn)能力。國(guó)外生產(chǎn)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(chǎn)的耐磨鋼的厚度規(guī)格只有8~80mm,鞍鋼生產(chǎn)的耐磨鋼的厚度規(guī)格目前只有20~60mm,與國(guó)外先進(jìn)水平存在較大差距。國(guó)內(nèi)外企業(yè)耐磨鋼生產(chǎn)能力的對(duì)比如表1所示。2硅、鉻和硼等聚合物添加劑低合金高強(qiáng)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(jīng)濟(jì)有效的元素,一般來(lái)說(shuō),隨著碳含量的增加,抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度均隨之增加,但還須通過(guò)添加其它合金元素來(lái)進(jìn)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(qiáng)度和耐磨性,而且錳的礦產(chǎn)資源豐富,價(jià)格低廉,是低合金高強(qiáng)度耐磨鋼的主加元素,錳與硼配合可擴(kuò)大鋼的貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū),在較大冷速范圍內(nèi)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(shí)脫氧,生產(chǎn)淬火、回火馬氏體耐磨鋼時(shí)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(qiáng)度、硬度和耐磨性,但鉻、鉬元素價(jià)格都比較高,可采用較低鉻、鉬含量的成分設(shè)計(jì),向鋼中添加微量的鈮、礬、鈦元素起析出強(qiáng)化、細(xì)化晶粒的作用,從而提高鋼的強(qiáng)度、改善鋼的韌性。硼的加入對(duì)淬透性具有積極影響,在小于0.005%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)能較好發(fā)揮出來(lái),起延緩多邊形鐵素體相變、促進(jìn)微細(xì)貝氏體形成的作用。德國(guó)蒂森克虜伯XAR系列耐磨鋼的化學(xué)成分范圍見(jiàn)表2,德國(guó)迪林根DILLIDUR系列耐磨鋼板化學(xué)成分如表3所示,國(guó)內(nèi)部分鋼廠耐磨鋼的化學(xué)成分(最高限值)如表4所示。從表2~4中可看出,國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)低合金耐磨鋼時(shí)多采用鉻、鉬或鉻、鎳、鉬合金體系,此成分體系可以通過(guò)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(cuò)、細(xì)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(qiáng)度和硬度,其屈服強(qiáng)度達(dá)1100MPa以上,硬度達(dá)到330~400HB,能滿足一般機(jī)械構(gòu)件的使用要求。但這種靠馬氏體基體硬度來(lái)抗磨的耐磨鋼,在高應(yīng)力磨料磨損條件下,耐磨性顯得不夠,對(duì)于一些復(fù)雜、具有高沖擊應(yīng)力的工作環(huán)境,需要進(jìn)一步提高耐磨鋼的強(qiáng)度和硬度以及耐磨性,研制開發(fā)出具有更高硬度級(jí)別的耐磨鋼。3制備大尺寸材料需要做從冶煉工藝上來(lái)講,低合金高強(qiáng)度耐磨鋼的生產(chǎn)需要嚴(yán)格控制鋼的化學(xué)成分,故而常采用爐外精煉、吹氬脫氣等技術(shù)來(lái)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(shù)已經(jīng)比較成熟,為低合金高強(qiáng)度耐磨鋼的生產(chǎn)提供了必要的保證?；鼗瘃R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(biāo)厚度,然后進(jìn)行離線淬火再低溫回火。如果要獲得貝氏體與馬氏體的復(fù)合組織,并且盡量使晶粒細(xì)化,提高耐磨鋼的綜合性能,最經(jīng)濟(jì)有效的方法是控制軋制與控制冷卻(控軋控冷),通過(guò)控軋控冷可以使鋼材的強(qiáng)度和韌性同時(shí)提高,而且能節(jié)約熱處理過(guò)程造成的能源消耗,簡(jiǎn)化生產(chǎn)工序,提高生產(chǎn)效率?？刂栖堉乒に嚥捎酶邷貖W氏體再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)軋制,控制變形奧氏體的再結(jié)晶數(shù)量,盡可能達(dá)到完全再結(jié)晶,爭(zhēng)取在高溫條件下軋制較多道次,并適當(dāng)延長(zhǎng)軋后停留時(shí)間,增加變形奧氏體的再結(jié)晶數(shù)量,使組織均勻化。待鋼材溫度降到奧氏體未再結(jié)晶區(qū)時(shí)進(jìn)行二階段軋制,保證未再結(jié)晶區(qū)總壓下率大于45%,并適當(dāng)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(dá)到細(xì)化鐵素體晶粒的目的。軋后通過(guò)控制冷卻來(lái)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(fù)合組織和強(qiáng)韌性的要求。一般耐磨鋼生產(chǎn)工藝路線如下:鐵液預(yù)處理→轉(zhuǎn)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(yīng)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(qiáng)度低,具有良好的韌性和加工硬化能力,即在強(qiáng)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(zhǔn)解理斷裂時(shí)消耗較多的斷裂功,從而提高了韌性,而片狀馬氏體斷裂時(shí)伴有的微裂紋導(dǎo)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(xì),碳含量較高,碳化物多以微細(xì)顆粒均勻分布在基體上,組織內(nèi)應(yīng)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(yīng)力松馳,阻礙裂紋擴(kuò)展,所以材料斷裂時(shí)吸收能量增加,從而使韌性改善;未溶碳化物會(huì)引起應(yīng)力集中,形成裂紋源,有利于裂紋擴(kuò)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(shí)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(yīng)力磨損下,殘余奧氏體增多,硬度降低,耐磨性下降;高應(yīng)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(kuò)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(jī)中的磨球,過(guò)多殘余奧氏體對(duì)耐磨性不利,因?yàn)樵跊_擊變形中殘余奧氏體發(fā)生馬氏體相變,體積膨脹,應(yīng)力集中導(dǎo)致發(fā)生脆性剝落;在M/A島中細(xì)小彌散的碳化物對(duì)耐磨性有利,而在基體中分布的大塊未溶碳化物,在高應(yīng)力較大沖擊下作為裂紋源引起脆性斷裂剝落,對(duì)耐磨性不利。根據(jù)以上分析,低合金高強(qiáng)度耐磨鋼通過(guò)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(fù)合組織;下貝氏體或貝氏體、馬氏體的復(fù)合組織,可通過(guò)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(chǎn)的部分耐磨鋼組織、硬度如表5所示。5低合金高強(qiáng)耐磨鋼的發(fā)展趨勢(shì)在高強(qiáng)度馬氏體基體上分布一定的下貝氏體,可在保持較高強(qiáng)度的前提下顯著提高材料的塑性、沖擊和斷裂韌度,同時(shí)具有較高的抗磨損能力。國(guó)內(nèi)目前生產(chǎn)的多是回火馬氏體組織低合金耐磨鋼,而國(guó)外生產(chǎn)的是部分貝氏體和馬氏體復(fù)合組織的耐磨鋼,這是其性能優(yōu)于國(guó)內(nèi)耐磨鋼的重要原因;另外我國(guó)耐磨鋼的純凈度、生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性也與國(guó)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(guó)外的另一主要原因。因此,在合金鋼的冶煉過(guò)程中,通過(guò)尋求合適的化學(xué)成分及組織設(shè)計(jì),優(yōu)化生產(chǎn)工藝獲得均勻穩(wěn)定的貝氏體和馬氏體復(fù)合組織,是低合金高強(qiáng)度耐磨鋼發(fā)展的一個(gè)重要方向。在原材料上漲等眾多要素導(dǎo)致的嚴(yán)峻形勢(shì)下,耐磨鋼生產(chǎn)企業(yè)要做大做強(qiáng),需要開發(fā)少用鉻、鉬或不用鉻、鉬的鋼鐵材料,通過(guò)提高純凈鋼的冶煉技術(shù),研究在線淬火技術(shù)和超快速冷卻技術(shù)在耐磨鋼上的應(yīng)用,挖掘現(xiàn)有低成本材料的潛力,生產(chǎn)低成本高性能的耐磨鋼是一個(gè)重要的