高性能耐磨钢的研究与发展

高性能耐磨钢的研究与发展

0试验研究的意义磨损是金属最重要的破坏形式之一。据统计,由磨损造成的经济损失是相当惊人的,我国每年因球磨机磨球磨损消耗近200万t材料,各种破碎机衬板消耗近50万t,轧辊消耗近60万t,各种工程挖掘机、装载机、输送管道、破碎机锤头和鄂板等消耗超过50万t,因此对高性能耐磨钢的研究具有重大的意义。耐磨钢是具有较高耐磨损性钢铁材料的总称,广泛应用于冶金、矿山、机械和铁路等领域。耐磨钢种类繁多,大体上可分为高锰钢,中、低合金耐磨钢,铬钼硅锰钢,耐气蚀钢,耐磨蚀钢以及特殊耐磨钢等。低合金高强度(不低于1000MPa)耐磨钢具有硬度高(不低于360HB)、焊接性能好等特点,具有良好的加工性能和耐磨性能,使用寿命是传统结构钢板的数倍;此外,其生产工艺简单,一般采用轧后淬火加回火,或者通过控轧控冷工艺进行强化。日本、德国及瑞典等国的一些钢铁公司都早已生产出先进低合金高强度耐磨钢,我国在近10a才打破生产传统低级别耐磨钢的现状,正向经济型和高性能方向发展,并取得了较大的进展。为了给相关研究、生产、使用的技术人员提供参考,作者对我国低合金高强度耐磨钢的生产现状作一简要介绍,并对比了与国外的主要差距,指出了今后发展的方向。1国内所生产的高强耐磨钢低合金高强度耐磨钢通常采用铬、镍、钼等元素进行合金化,然后通过淬火与低温回火获得回火马氏体组织。目前国外生产此类耐磨钢板的著名厂家有瑞典奥克隆德、德国迪林根、德国蒂森克虏伯、日本的JFE等,其中,瑞典奥克隆德生产的产品有HARDOX系列,硬度高达600HB;德国迪林根的产品有400V和500V牌号,德国蒂森克虏伯有XAR400、XAR450、XAR500等牌号,日本JFE生产的EH400和EH500等钢种都具有优良的耐磨性能。现国内能生产低合金高强度耐磨钢的厂家主要有舞钢、武钢、宝钢、南钢等,鞍钢也已开发出了AM360、AM400、AM450耐磨钢,但国产产品性能稳定性和整体品质与国外产品相比还存在一定差距。瑞典奥克隆德的HARDOX400、450钢是多用途耐磨钢板,具有高韧性、良好的弯曲和焊接性能。HARDOX500是一种细晶粒无碳化物马氏体和贝氏体耐磨钢板,可用于对耐磨性能要求更高的领域。HARDOX550是一种平均硬度为550HB的耐磨钢板,其韧性与HARDOX500的相同,应用于高磨损场合,但硬度比后者提高了50HB,故而延长了耐磨寿命;HARDOX600是目前世界上最硬的耐磨钢板,硬度达到600HB。我国近年在低合金马氏体耐磨钢研究方面有很大进展。如中国舞阳钢厂生产的WNM360~500系列耐磨钢是国内耐磨钢的代表,具有500万t钢、360万t宽厚板的生产能力。国外生产的耐磨钢,布氏硬度覆盖200~600HB,厚度规格覆盖6~120mm;而舞钢生产的耐磨钢的厚度规格只有8~80mm,鞍钢生产的耐磨钢的厚度规格目前只有20~60mm,与国外先进水平存在较大差距。国内外企业耐磨钢生产能力的对比如表1所示。2硅、铬和硼等聚合物添加剂低合金高强度耐磨钢中各元素的主要作用如下:碳是影响耐磨钢组织和性能的主要元素,也是提高硬度最经济有效的元素,一般来说,随着碳含量的增加,抗拉强度、屈服强度、硬度均随之增加,但还须通过添加其它合金元素来进一步提高硬度,改善韧性。锰是显著提高淬透性的元素,能提高钢的强度和耐磨性,而且锰的矿产资源丰富,价格低廉,是低合金高强度耐磨钢的主加元素,锰与硼配合可扩大钢的贝氏体转变区,在较大冷速范围内得到贝氏体和马氏体的混合组织。硅的主要作用是在冶炼时脱氧,生产淬火、回火马氏体耐磨钢时用于改善马氏体的回火稳定性,提高回火温度,获得较好的综合性能。铬、钼都是提高淬透性和回火稳定性的元素,还能提高钢的强度、硬度和耐磨性,但铬、钼元素价格都比较高,可采用较低铬、钼含量的成分设计,向钢中添加微量的铌、矾、钛元素起析出强化、细化晶粒的作用,从而提高钢的强度、改善钢的韧性。硼的加入对淬透性具有积极影响,在小于0.005%(质量分数)时能较好发挥出来,起延缓多边形铁素体相变、促进微细贝氏体形成的作用。德国蒂森克虏伯XAR系列耐磨钢的化学成分范围见表2,德国迪林根DILLIDUR系列耐磨钢板化学成分如表3所示,国内部分钢厂耐磨钢的化学成分(最高限值)如表4所示。从表2~4中可看出,国内外生产低合金耐磨钢时多采用铬、钼或铬、镍、钼合金体系,此成分体系可以通过淬火和低温回火的热处理工艺获得回火马氏体组织。由于马氏体的高密度位错、细小的孪晶、碳的偏聚以及马氏体的间隙固溶,使马氏体钢具有较高的强度和硬度,其屈服强度达1100MPa以上,硬度达到330~400HB,能满足一般机械构件的使用要求。但这种靠马氏体基体硬度来抗磨的耐磨钢,在高应力磨料磨损条件下,耐磨性显得不够,对于一些复杂、具有高冲击应力的工作环境,需要进一步提高耐磨钢的强度和硬度以及耐磨性,研制开发出具有更高硬度级别的耐磨钢。3制备大尺寸材料需要做从冶炼工艺上来讲,低合金高强度耐磨钢的生产需要严格控制钢的化学成分,故而常采用炉外精炼、吹氩脱气等技术来降低钢中的有害气体、夹杂物及硫、磷含量,提高钢的纯度,这方面各大型钢企的技术已经比较成熟,为低合金高强度耐磨钢的生产提供了必要的保证。回火马氏体耐磨钢一般不采取控制轧制,而是在高温直接轧制到目标厚度,然后进行离线淬火再低温回火。如果要获得贝氏体与马氏体的复合组织,并且尽量使晶粒细化,提高耐磨钢的综合性能,最经济有效的方法是控制轧制与控制冷却(控轧控冷),通过控轧控冷可以使钢材的强度和韧性同时提高,而且能节约热处理过程造成的能源消耗,简化生产工序,提高生产效率。控制轧制工艺采用高温奥氏体再结晶区和未再结晶区轧制,控制变形奥氏体的再结晶数量,尽可能达到完全再结晶,争取在高温条件下轧制较多道次,并适当延长轧后停留时间,增加变形奥氏体的再结晶数量,使组织均匀化。待钢材温度降到奥氏体未再结晶区时进行二阶段轧制,保证未再结晶区总压下率大于45%,并适当加大道次变形量,为奥氏体向铁素体相变形核创造条件,增加形核部位,达到细化铁素体晶粒的目的。轧后通过控制冷却来控制相变条件、碳化物的析出行为等获得需要的贝氏体和马氏体复合组织和强韧性的要求。一般耐磨钢生产工艺路线如下:铁液预处理→转炉冶炼→炉外精炼(LF)→真空处理(VD或RH)→微钛处理→板坯连铸(电磁搅拌)→加热→轧制→控制冷却(离线热处理)。4下贝氏体的耐磨性和残余常以提高力具有良好耐磨性的耐磨钢应具有较高的硬度和足够的韧性。传统高锰耐磨钢的铸态组织是奥氏体、马氏体、碳化物的混合组织,水韧处理后为单一奥氏体组织。高锰钢的主要特征是屈服强度低,具有良好的韧性和加工硬化能力,即在强烈冲击载荷或挤压载荷作用下,受力表面得到加工硬化,从而具有良好的耐磨性,但其使用范围受到限制。低合金耐磨钢中淬硬态的组织有马氏体(包括板条马氏休和片状马氏体)、贝氏体(上、下贝氏体)、残余奥氏体和未溶碳化物等。板条马氏体在准解理断裂时消耗较多的断裂功,从而提高了韧性,而片状马氏体断裂时伴有的微裂纹导致其较脆,因此板条马氏体的韧性高于片状马氏体的;下贝氏体以不同位向的铁素体板条为最小断裂单元,其韧性较相同硬度的回火马氏体高,也高于上贝氏体的。贝氏体板条极细,碳含量较高,碳化物多以微细颗粒均匀分布在基体上,组织内应力较低,具有较高的抗变形能力,其耐磨性高于回火马氏体钢的;残余奥氏体存在于马氏体板条或马氏体片间,也存在于下贝氏体组织中,因其能使应力松驰,阻碍裂纹扩展,所以材料断裂时吸收能量增加,从而使韧性改善;未溶碳化物会引起应力集中,形成裂纹源,有利于裂纹扩展,加速脆断,降低韧性。不同组织钢的耐磨性取决于硬度和韧性,在硬度相近时韧性良好的组织具有良好的耐磨性。板条马氏体的耐磨性优于片状马氏体的;下贝氏体的耐磨性高于相同硬度回火马氏体的。残余奥氏体的作用取决于磨损类型:在低应力磨损下,残余奥氏体增多,硬度降低,耐磨性下降;高应力与冲击不大的磨损条件下,残余奥氏体增加,抑制了裂纹形成和扩展,阻碍变形和剥层疲劳磨损,从而提高耐磨性。在较大冲击条件下,如大磨机中的磨球,过多残余奥氏体对耐磨性不利,因为在冲击变形中残余奥氏体发生马氏体相变,体积膨胀,应力集中导致发生脆性剥落;在M/A岛中细小弥散的碳化物对耐磨性有利,而在基体中分布的大块未溶碳化物,在高应力较大冲击下作为裂纹源引起脆性断裂剥落,对耐磨性不利。根据以上分析,低合金高强度耐磨钢通过合金元素控制和淬火、低温回火可获得板条马氏体和残余奥氏体的复合组织;下贝氏体或贝氏体、马氏体的复合组织,可通过等温处理或连续冷却获得,其耐磨性高于单纯马氏体组织的。XAR和舞钢生产的部分耐磨钢组织、硬度如表5所示。5低合金高强耐磨钢的发展趋势在高强度马氏体基体上分布一定的下贝氏体,可在保持较高强度的前提下显著提高材料的塑性、冲击和断裂韧度,同时具有较高的抗磨损能力。国内目前生产的多是回火马氏体组织低合金耐磨钢,而国外生产的是部分贝氏体和马氏体复合组织的耐磨钢,这是其性能优于国内耐磨钢的重要原因;另外我国耐磨钢的纯净度、生产工艺稳定性也与国外存在一定差距,使得钢材组织和成分的均匀性较差,这是耐磨钢性能低于国外的另一主要原因。因此,在合金钢的冶炼过程中,通过寻求合适的化学成分及组织设计,优化生产工艺获得均匀稳定的贝氏体和马氏体复合组织,是低合金高强度耐磨钢发展的一个重要方向。在原材料上涨等众多要素导致的严峻形势下,耐磨钢生产企业要做大做强,需要开发少用铬、钼或不用铬、钼的钢铁材料,通过提高纯净钢的冶炼技术,研究在线淬火技术和超快速冷却技术在耐磨钢上的应用,挖掘现有低成本材料的潜力,生产低成本高性能的耐磨钢是一个重要的