耐磨钢的发展及技术进步

2023-02-08 来源：六九路网

　2007年5月　第二期浙江冶金13

耐磨钢的发展及技术进步

王彦凤1　邱常明2　张贵杰2

(1.河北理工大学机械工程学院　唐山　063009;

2.河北理工大学冶金与能源学院　唐山　063009)摘　要:耐磨钢作为耐磨材料被广泛地应用于工业生产的各个领域,本文概述了国内外耐磨钢领域研究开

发的现状,并介绍了目前在耐磨钢研发方面取得的一系列技术进步。关键词:耐磨钢;锰钢;低合金耐磨钢;技术进步

0　前言

在科学技术和现代工业高速发展的今天,机械设备的运转速度越来越高,许多工件和设备由于磨损而迅速失效,造成的材料浪费和经济损失相当惊人。据不完全统计,我国仅在冶金、矿山、电力、煤炭和农机部门,由于工件磨损而造成的经济损失每年约400亿元[1]。因此,耐磨材料的发展已成为影响现代生产效率的重要因素。

耐磨钢是广泛用于各种磨损工况的一类耐磨材料,自1882年Hadfield(英国)发明了耐磨高锰钢开始,100多年来,新的耐磨钢钢种层出不穷,其冶炼、铸造、热处理和机加工工艺不断改进,耐磨钢的综合力学性能、耐磨性能和使用寿命都在逐步提高,其应用领域日渐扩大,广泛地应用于冶金、矿山、建材、电力、铁路和军事等各个部门中,如挖掘机斗齿、球磨机衬板、破碎机颚板、破碎壁、轧臼壁、拖拉机履带板、风扇磨冲击板和铁路道岔等等。

1　国内外耐磨钢的研发进展

国外耐磨材料的生产和应用经过了30多年研究与发展的高峰期,现已趋于稳定,并有自己的系列产品和国家标准、企业标准。在耐磨钢方面,除了传统的奥氏体锰钢及改性高锰钢、中锰钢以外,从其碳含量的不同可分为中碳、中高碳、高碳合金耐磨钢;从合金元素含量的不同又可分为低合金、中合金及高合金耐磨钢;从组织的不同可分为奥氏体、贝氏体、马氏体耐磨钢[2]。

近年来,针对设备磨损的具体工况和资源情况,我国研制出多种新型耐磨钢材料。主要有改性高锰钢、中锰钢、超高锰钢系列,高、中和低碳耐磨合金钢系列。在耐磨钢生产工艺设备方面,先后从国外引进数条机械化自动化生产线,并发展了结合国情的新型工艺设备。同时,采用炉外精炼与连铸等熔炼工艺新技术,使产品的内在质量、外观质量和性能都得到明显提高,金属消耗大幅度降低,一些厂家产品已达到或超过国际水平,并出口到东南亚、日本、南非、美国、澳大利亚等地[3],取得了良好

全稳定运行,在一定程度上反映了公司的业务能否正常开展,其重要性是不可忽视的。目前,杭钢的建设日趋信息化,机房管理是公司信息化管理工作中非常重要的一环。

平,是不可忽视的大问题。随着技术的不断推陈出新,机房设备将在自动化、智能化和远程遥控等方面有新的发展,使计算机机房规划、建设和管理更加安全、可靠、简单和实用。

收稿日期:2007202213

审稿:杨少尉编辑:胡泽方

3　结语

机房的规划与管理既关系到公司相关业务工作的开展,也反应了一个企业的信息化建设的水

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经济和社会效益。

2　耐磨钢领域的技术进步

2.1　锰钢2.1.1　高锰钢

率很低,且安全可靠性差。

近十几年来,在中锰耐磨钢研究方面,人们采用变质处理的方法,即向中锰钢中加入作为复合变质剂的Cr、Nb、Mg和稀土等元素,来改善显微组织与碳化物的形态和分布,取得了良好的效果。这主要是因为复合变质剂的加入能显著地提高材料的力学性能和位错密度,如稀土可净化钢液,使钢中夹杂物数量减少;而Cr、Mg等能促进碳化物球化,增强稀土吸附及稀土夹杂物与碳化物的非均质晶核的作用,同时也能阻止夹杂物、碳化物进一步长大,使其组织明显细化,成分偏析减小,从而使变质中锰钢韧性得到明显改善,耐磨性能显著提高。在对中锰钢变质处理的基础上,朱瑞富等研究发现[12～14],采用铸态水韧热处理工艺技术,即利用金属的铸造余热对奥氏体锰钢进行水韧处理,既有利于节约能源,缩短生产周期,降低生产成本,又可实现水爆清砂,改善劳动条件,减少环境污染。现国内已有多家企业采用该项研究成果,并取得了较大的经济和社会效益。2.1.3　超高锰钢

高锰钢作为历史最悠久的一种耐磨材料,其成

分(质量分数)范围为:w(C)=0.9%～1.4%,w(Mn)=l0%～15%,w(Si)=0.3%～0.8%,w(S)≤0.05%,w(P)≤0.10%。

高锰钢使用状态的组织为奥氏体,它具有良好的韧性和加工硬化能力。即在强烈的冲击载荷或挤压载荷下,受力表面被加工硬化,硬度可从原始的200HB左右提高到500HB以上,而心部仍保持着良好的韧性。高锰钢的这种建筑在加工硬化基础上的优异的耐磨性能使它的使用受到限制,因此,要扩大高锰钢的应用范围,必须对其进行改进性研究,进一步提高其耐磨性[4～6]。

目前,在高锰钢研究方面取得了一系列新进展,主要有:

采用合金化的方法,添加Cr、Mo引起固溶强化,加入钛形成碳化钛,可引起弥散强化,并能细化结晶组织,最终达到强化基体,提高其耐磨性和屈服强度的目的。实验表明,用这些方法加工出的用于冶金矿山的衬板,其使用寿命比高锰钢提高50%～70%。工艺方面,采用铸后利用余热淬化的手段来替代传统上使用加热再进行水韧处理的方法,不但能简化工艺,节约能源,缩短生产周期,而且经济效益显著[7～10]。

在轧制工艺方面,徐文亮等[11]提出了用深度轧制的方法对高锰钢进行预变形表面硬化处理,结果发现,随形变量的增加,组织内位错及孪晶密度也随之增大,晶粒大大细化。这是因为深度冷轧的高锰钢表面形成的高密度位错及孪晶组织,改善了铸造高锰钢产生的各项异性、气孔等缺陷,能有效阻止磨粒造成的磨损表面的脆性剥落,同时,高锰钢良好的心部韧性也将减少其磨损过程中的疲劳剥落。该轧制方法对提高高锰钢使用效率及应用范围具有积极的现实意义。2.1.2　变质中锰耐磨钢

近年来,人们已开始着手对具有稳定奥氏体组

织的超高锰钢进行研究,主要是想在普通高锰钢标准成分的基础上通过提高碳、锰含量来达到改善锰钢组织,提高耐磨性的目的。

研究人员通过对Fe-C-Mn合金奥氏体的价电子结构进行分析发现,在含C、Mn原子的一个奥氏体晶胞内,C-Mn之间的结合力大于C-Fe之间的结合力[15]。这样,锰原子可通过对碳原子运动的拖曳提高碳的固溶度,而且利用锰不易和碳原子生成碳化物,来降低碳原子的扩散能力,抑制碳化物的析出。因此,同时提高碳、锰含量,不但可以提高锰钢的加工硬化能力,而且可保持高韧性的奥氏体组织,使其在使用时具有良好的耐磨性。

当前,变质处理技术在开发新的超高锰钢钢种的试验中,已经取得了很大进展。科研人员在对超高锰钢变质处理前后的组织进行研究发现[16-18],在未变质处理的组织中,晶粒较粗大,晶界共晶碳化物的网状特征非常明显;在变质处理的组织中,晶粒明显细化,晶界碳化物的网状特征得到明显改善。这些成果的研发为改善超高锰钢组织并提高其耐磨性提供了新的途径。2.2　低合金耐磨钢

在磨损冲击功较小的情况下,中锰钢的耐磨性优于高锰钢的耐磨性。但在实际应用中,中锰钢在铸造和热处理的过程中易产生热裂,使铸件的成品

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针对高锰钢应用场合的局限性,结合工况条件及我国资源状况,科研人员研制出了多种耐磨合金钢。这些耐磨合金钢具有优良的强韧性、耐磨性和耐蚀性,且成本不高,适于制造各类耐磨铸件。根据耐磨合金钢中合金含量的不同可分为低合金耐磨钢、中合金耐磨钢和高合金耐磨钢。

低合金耐磨钢由于具有较高硬度和足够韧性等综合性能,作为耐磨材料已引起人们的广泛重视。研究人员通过调整成分与热处理工艺,能在较大范围内控制低合金耐磨钢硬度和韧性的合理匹配,使其满足不同磨损工况的需要。仝健民教授[7]对国内常用低合金耐磨铸钢的成分和性能进行了汇总,具体数据如表1。

国外从上个世纪30年代开始着手研制低合金耐磨钢,并很快得到应用[19]。例如美国研制的Cr-Mo-Ni-Mn-Si等低合金钢,就是在铸造过程中,向低合金钢中加入合金元素并采用新的热处理工艺技术使其综合性能在较宽的范围内得到调整,淬透截面深度达125mm以上,热处理后硬度可达50HRC以上,冲击值ak可达20J/cm2以上。

表1　国内常用低合金耐磨铸钢的成分和性能[7]

成分(%)

钢号

C/%

ZG30Cr2MnSiMoTiZG42Cr2MnSi2MoREZG40CrMnSi2MoZG30CrMnSiMoREZG85CrMnSiMoCuZG100Cr5MnSiMoRE

Mn/%

Cr/%1.8～2.21.8～2.20.9～1.40.8～1.55.0～7.04.5～5.5

Si/%1.2～1.61.5～1.81.9～2.50.8～1.20.8～1.20.8～1.2

Mo/%0.2～0.4

性能

其它

0.06～0.12Ti

微量RE

硬度/(HRC)

50575555>52

韧性/(KJ·cm-2)

>200240～680>200590～780>150150～250

0.28～0.351.2～1.70.38～0.480.8～1.10.38～0.451.5～1.80.35～0.450.8～2.50.7～1.00.8～1.2

1.0～1.31.0～1.3

适量

0.2～0.3

微量RE

0.3～0.50.03～0.08RE<0.50.3

<1.0Cu0.3RE

48～55

　　目前,我国在低合金马氏体耐磨钢研究方面有

很大进展。低合金马氏体钢是采用Cr、Ni和Mo等元素合金化,然后通过淬火与低温回火热处理,获得回火马氏体组织。许振明等在研究中发现[5],低合金马氏体钢中具有高硬度的高位错板条状马氏体,能够较好地抵抗磨损时裂纹的扩展,同奥氏体高锰钢相比,在中等冲击磨损条件下,该钢种具有明显的优越性,综合机械性能也较好,但缺憾之处在于,它主要靠马氏体基体硬度来抗磨,在高应力磨料磨损条件下,耐磨性提高不多,同时,其对化学成分控制和热处理工艺要求也较高。

在近年来发展较快的高Co-Ni二次硬化马氏体[19～20],综合了低合金高强度钢和马氏体时效钢的特点,即韧性良好的Fe-Ni-Co马氏体和碳化物强化,获得良好的强韧性配合。典型的钢种有HP9-4-X、AerMet100、G99、0.2C-AF1410等,通过提高碳、钴的含量,使材料的强度、韧性和耐磨性同时提高。通过在马氏体基体上引入第二相强化,来提高材料的综合性能是目前低合金马氏体耐磨钢的一个热点。但现在对于第二相的种类、形态、分布和大小的控制还不理想,有待进一步研究。

2.3　其它

蔡擎等将微合金化技术[22]与控铸控冷新技术相结合,在中高碳钢成分基础上加入少量或微量提高淬透性的金属元素,应用微合金化及控铸控冷工艺也研制出了性能优良的“微合金贝氏体抗磨钢”。

所谓微合金化是指在基本化学成分(普通或低合金钢)中添加微量(不大于0.2%)的合金元素,从而使钢铁材料的一种或几种性能具有明显提高的工艺技术,经过此法处理的钢称为微合金钢。

微合金化作用,主要表现在提高淬透性、细化晶粒、纯洁钢液、排除非金属夹杂物或改善其形态,同时还可与钢中其它合金元素的相互作用以消除或减轻有害元素的不利影响。微合金贝氏体耐磨钢的基体组织是由贝氏体、马氏体和少量残余奥氏体组成,之所以能获得这种复相组织,是由于材料成分中加入了多种提高淬透性的少量及微量合金元素并采用了控铸控冷新工艺所致[23]。控铸控冷工艺是铸造和热处理合二为一的先进技术。应用微合金化及控铸控冷工艺,使微合金贝氏体耐磨钢

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获得满意的基体显微组织和力学性能,而且还可节

约能源和资源,是生态环境材料研究思路在抗磨材料研究中的应用。

表面工程作为一个较新的研究领域,近年来硕果累累,其产业化也是方兴未艾。目前,我国在热喷涂涂层、EB-PVD涂层、自蔓延高温合成涂层及扩散涂层等抗冲蚀磨损防护涂层方面的研究取得了很大进展。耐磨损作为表面工程材料(技术)的主要应用领域之一,特别是对于某些只有表面磨损的零件,表面工程更显出其重要意义。这些技术的发展,将使耐磨钢的开发前景广阔。

激光表面处理技术以加热速率高、温度高、热影响区小、可局部加热、处理后材料冷速快而晶粒细小、可机械化自动化操作、无污染等优点,越来越被人们所重视。研究人员已经开始将激光淬火、激光表面熔凝处理、激光表面合金化、激光熔覆等激光处理技术应用到耐磨钢领域,并取得了一定的进展。

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3　结语

近年来,耐磨钢领域的技术发展取得了长足进

步,并已在工业生产和应用实践中取得成效。但全行业水平尚不均衡,一些中小型耐磨钢材料生产企业由于信息闭塞、资金短缺、人才匮乏、技术落后,导致产品质量缺乏竞争力,还需一段发展的路程。而与此同时,近几年我国新建和崛起了一批高起点的大中型专业化耐磨钢铁生产企业,原有的一批大型耐磨钢铁企业开展了生产技术改造和生产能力的改扩建,产学研技术研发合作成效显著。可以相信,以市场为导向,以应用基础研究和新技术研发作牵引,以稳定和先进的工程化和产业化技术作支撑,以高效管理和人才为本的思想作保证,我国的一些耐磨钢铁企业将很快步入世界同业一流行列,其产业也将取得更大的发展。

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收稿日期:2007203219

审稿:叶健松编辑:胡泽方

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