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        國內外低合金耐磨鋼研發現狀

        2019-04-08  來自: 遼寧衡業高科新材股份有限公司 瀏覽次數:1353

          金屬材料的破壞主要有三種形式:即斷裂、腐蝕和磨損。據統計,由磨損造成的經濟損失是相當驚人的,美國約500億美元/年,德國300億馬克/年,我國每年因球磨機磨球磨損消耗近200萬t,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,因此對耐磨的研究具有十分重大的意義。

          低合金高強度耐磨鋼的研究是近幾十年開始的,該鋼種具有良好的可加工性能和優良的耐磨性能,使用壽命是傳統結構鋼板的數倍,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生產低合金高強度耐磨鋼,我國在近10年才打破傳統16Mn鋼的低級別狀態,開始向經濟型和高性能方向發展。

          國內外低合金耐磨鋼生產現狀

          目前國外生產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,其中,瑞典奧克隆德生產的HARDOX系列,硬度達HB400、HB500、HB550和HB600;德國迪林根的400V和500V;德國蒂森克虜伯的XAR400、XAR450、XAR500;日本的JFE—EH400和EH500等。我國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。鞍鋼也已開發出AM360、AM400及AM450耐磨鋼,但產品性能穩定性和整體品質與國外產品相比還存在差距。

          瑞典奧克隆德的HARDOX悍達400和450是多用途的耐磨板,由于其高韌性、良好的彎曲和焊接性能,在一些應用中也可用作承載用途。HARDOX悍達500是一種可彎曲和焊接的耐磨板,可應用于對耐磨性能要求更高的領域。HARDOX悍達550是一種平均硬度為550HB的耐磨鋼板,其韌性與HARDOX悍達500相同,被應用于高磨損的場合。當從HARDOX悍達500鋼板升級到該產品時,在布氏硬度上提高了50個單位,在不損失鋼板韌性的情況下延長了耐磨壽命;HARDOX悍達600是世界上硬的耐磨鋼板,硬度值達到600HB。

          德國蒂森克虜伯XAR系列耐磨鋼,硬度范圍覆蓋HB300-600,主要以Cr、Mo合金化。

          德國迪林根DILLIDUR400、DILLIDUR500等系列耐磨鋼板,布氏硬度分別為HB400、HB500,厚度范圍可覆蓋6-150mm,采用淬火+低溫回火工藝。

          我國近年在低合金馬氏體耐磨鋼研究方面有很大進展。低合金馬氏體鋼是采用Cr、Ni、Mo等元素合金化,然后通過淬火與低溫回火熱處理,獲得回火馬氏體組織,如中國舞陽鋼廠生產的WNM系列耐磨鋼是國內耐磨鋼的代表。舞陽鋼廠擁有先進水平的電爐冶煉、連鑄(模鑄)、軋制、熱處理、精整短流程生產線。主體設備有:4座90t、100t 超高功率電爐,5座90t、100t LF精煉爐,4座90t、100t VD真空爐,3臺1900mm、2500mm大型板坯連鑄機,9條鋼錠大型模鑄線,2座4100mm、4200mm寬厚板軋機和?;癄t、淬火爐、外機爐、車底爐等熱處理爐群,具有500萬t鋼、360萬t寬厚板的生產能力,是國內生產耐磨鋼實力較強的企業。

          與國內相比,國外能生產更高強度級別的耐磨鋼,布氏硬度覆蓋HB200-600,生產厚度規格覆蓋6-120mm的范圍,遠遠大于國內生產能力強的舞鋼8-80mm,而鞍鋼耐磨鋼目前只具有生產厚度為20-60mm的能力,跟國內外先進水平都存在較大差距。

          鞍鋼低合金耐磨鋼成分和組織設計特點

          鞍鋼生產低合金耐磨鋼AM360及AM400采用了Cr、Ni、Mo系列合金化,通過淬火與低溫回火熱處理,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,使馬氏體組織具有高強度,其屈服強度達1100MPa以上,硬度值達到HB330-400,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。面對一些復雜工況或者具有高沖擊應力情況下,需要進一步提高耐磨鋼的強度和硬度以及耐磨性,研制開發出具有更高硬度級別的耐磨鋼。

          具有良好耐磨性的組織應能提供較高的硬度和足夠的韌性,馬氏體組織具有高強度和高硬度,但其韌性不足,以下分析較高硬度組織狀態的韌性和耐磨性。傳統高錳耐磨鋼鑄態組織是奧氏體+馬氏體+碳化物,水韌處理后為單一的奧氏體組織,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,即在強烈的沖擊載荷或擠壓載荷下,受力表面被加工硬化,從而具有良好的耐磨性,但它的使用范圍受到限制。低合金鋼中淬硬態的組織有馬氏體、貝氏體、殘余奧氏體和未溶碳化物等。有資料表明: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造成片狀馬氏體的脆性,因此板條馬氏體韌性高于片狀馬氏體。下貝氏體以不同位向的鐵素體板條為小斷裂單元,其韌性較相同硬度的回火馬氏體高,也高于上貝氏體。貝氏體鋼基本相板條極細,碳含量較高,碳化物多是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。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,材料斷裂時吸收能量增加,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。

          不同組織的耐磨性取決于硬度和韌性,在接近硬度下韌性良好的組織相應也有良好的耐磨性。資料表明:板條馬氏體耐磨性優于片狀馬氏體;下貝氏體耐磨性高于相同硬度的回火馬氏體。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,可抑制裂紋形成和擴展,阻礙變形和剝層疲勞磨損。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,因在沖擊變形中殘余奧氏體發生馬氏體相變,體積膨脹,應力集中而發生脆性剝落。在M/A基體中分布細小彌散碳化物對耐磨性有利,而在基體中分布大塊未溶碳化物。在高應力較大沖擊下碳化物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,低合金耐磨鋼應通過合金控制和熱處理獲得如下類型的組織狀態:板條馬氏體+板條間殘余奧氏體的組織,可由淬火+低溫回火獲得。鞍鋼AM360、AM400就是按照這種方法生產。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冷卻獲得。由于這種組織的耐磨性高于單純馬氏體組織的耐磨性,鞍鋼將AM450以上級別的耐磨鋼設計成貝氏體+馬氏體的復合組織。

          鞍鋼低合金耐磨鋼生產工藝設計特點

          從冶煉上來講,低合金高強耐磨鋼的生產需要嚴格控制鋼的化學成分。采用爐外精煉、吹氬脫氣等技術,降低鋼中的有害氣體、夾雜及S、P含量,提高鋼質純度。這方面鞍鋼的技術已經比較成熟,為低合金高強耐磨鋼的生產提供了必要的基礎。

          以AM450生產為例,為了獲得所需要的貝氏體+馬氏體的復合組織,并且使晶粒細化,提高耐磨鋼的綜合性能,經濟有效的方法是控制軋制加控制冷卻。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和未再結晶區軋制,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時進行第二階段軋制,保證未再結晶區總壓下率大于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達到產品的組織和性能,獲得需要的貝氏體+馬氏體復合組織和強韌性要求。

          根據以上分析設計如下生產工藝路線:鐵水預處理—轉爐冶煉—爐外精煉(LF)—真空處理(VD或RH)—微Ti處理—板坯連鑄(電磁攪拌)—加熱—控制軋制—控制冷卻(離線熱處理)。

          鞍鋼低合金耐磨鋼生產情況

          鞍鋼2004年開始生產鏟刃用鋼ACR950,用于制造挖掘機或推土機等設備的鏟刃,是鞍鋼早的低合金耐磨型鋼鐵材料,生產厚度范圍8-40mm。2005制定了《鏟刃用熱軋鋼板》企業標準,2006年開始研發AM360,2007年投入生產試制;2008年開始研發AM400,并于當年投入生產試制,2009年開始研發AM450,目前處于實驗室階段。

          結語

          低合金耐磨鋼具有廣闊的應用前景。隨著國內鋼鐵企業中厚板技術裝備水平的提高,目前國內低合金高強度耐磨鋼的開發和應用已越來越成熟,如舞鋼已研制出相當數量的耐磨鋼品種。耐磨鋼生產逐步系列化、標準化,2009年已正式形成國家標準GB/T 24186-2009《工程機械用高強度耐磨鋼板》。不過鞍鋼耐磨鋼的研制和生產還處于較低水平。隨著鞍鋼鲅魚圈的先進煉鋼裝備及5500mm厚板軋機的順利投產,加大高品質、高附加值、高強度耐磨鋼產品改進和開發力度,提高鞍鋼耐磨鋼實物質量。

          大量的試驗研究表明,在高強度馬氏體基體上分布一 定體積分數的下貝氏體,可在保持較高強度前提下顯著提高材料的塑性以及沖擊和斷裂韌性。同時具有較高的抗磨損能力,是低合金耐磨鋼發展的一個重要組織結構設計方向。

          通過提高熔煉技術,即純凈鋼的冶煉技術,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生產工藝設計方向。

            遼寧衡業高科新材股份有限公司隸屬遼寧衡業集團旗下的全資子公司。集團公司始建于1997年,是一家跨專用汽車制造、汽車銷售、采礦選礦等多個行業的大型民營企業。集團公司擁有三條高精度軋鋼生產線,年生產能力40萬噸;擋圈深加工生產線一條,年設計生產成品擋圈400萬套,集團公司參與了輪輞型鋼、擋圈型鋼等多項行業和國家標準的制定工作。   

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        關鍵詞: 耐磨鋼           

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