國內(nèi)外低合金耐磨鋼研發(fā)現(xiàn)狀

金屬材料的破壞主要有三種形式:即斷裂、腐蝕和磨損。據(jù)統(tǒng)計,由磨損造成的經(jīng)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(yōu)良的耐磨性能,使用壽命是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼板的數(shù)倍,生產(chǎn)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(chǎn)低合金高強度耐磨鋼,我國在近10年才打破傳統(tǒng)16Mn鋼的低級別狀態(tài),開始向經(jīng)濟型和高性能方向發(fā)展。

1.國內(nèi)外低合金耐磨鋼生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前國外生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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AM360、AM400及AM450耐磨鋼,但產(chǎn)品性能穩(wěn)定性和整體品質(zhì)與國外產(chǎn)品相比還存在一定差距。

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(chǎn)的WNM系列耐磨鋼是國內(nèi)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(chǎn)線。主體設(shè)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寬厚板軋機和常化爐、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(chǎn)能力,是國內(nèi)生產(chǎn)耐磨鋼實力較強的企業(yè)。

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

2.鞍鋼低合金耐磨鋼成分和組織設(shè)計特點

鞍鋼生產(chǎn)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(gòu)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(fā)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(tài)的韌性和耐磨性。傳統(tǒng)高錳耐磨鋼鑄態(tài)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(tài)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。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(nèi)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(yōu)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(fā)生馬氏體相變,體積膨脹,應力集中而發(fā)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(jù)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(tài):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(chǎn)。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。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(shè)計成貝氏體+馬氏體的復合組織。

3.鞍鋼低合金耐磨鋼生產(chǎn)工藝設(shè)計特點

從冶煉上來講,低合金高強耐磨鋼的生產(chǎn)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(shù),降低鋼中的有害氣體、夾雜及S、P含量,提高鋼質(zhì)純度。這方面鞍鋼的技術(shù)已經(jīng)比較成熟,為低合金高強耐磨鋼的生產(chǎn)提供了必要的基礎(chǔ)。

以AM450生產(chǎn)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,最經(jīng)濟最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(jié)約熱處理過程造成的能源消耗,簡化生產(chǎn)工序,提高生產(chǎn)效率。

控制軋制工藝采用高溫奧氏體再結(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,盡可能達到完全再結(jié)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(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)時進行第二階段軋制,保證未再結(jié)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達到最終產(chǎn)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(jù)以上分析設(shè)計如下生產(chǎn)工藝路線:鐵水預處理—轉(zhuǎn)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)。

4.鞍鋼低合金耐磨鋼生產(chǎn)情況

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

5.結(jié)語

低合金耐磨鋼具有廣闊的應用前景。隨著國內(nèi)鋼鐵企業(yè)中厚板技術(shù)裝備水平的提高,目前國內(nèi)低合金高強度耐磨鋼的開發(fā)和應用已越來越成熟,如舞鋼已研制出相當數(shù)量的耐磨鋼品種。耐磨鋼生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn),加大高品質(zhì)、高附加值、高強度耐磨鋼產(chǎn)品改進和開發(fā)力度,提高鞍鋼耐磨鋼實物質(zhì)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(shù)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(fā)展的一個重要組織結(jié)構(gòu)設(shè)計方向。

通過提高熔煉技術(shù),即純凈鋼的冶煉技術(shù),研究在線淬火技術(shù)和超快速冷卻技術(shù)在耐磨鋼上應用,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重要的生產(chǎn)工藝設(shè)計方向。

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