国内外低合金耐磨钢研发现状

 金属材料的破坏主要有三种形式:即断裂、腐蚀和磨损。据统计,由磨损造成的经济损失是相当惊人的,美国约500亿美元/年,德国300亿马克/年,我国每年因球磨机磨球磨损消耗近200万t,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,因此对耐磨的研究具有十分重大的意义。

  低合金高强度耐磨钢的研究是近几十年开始的,该钢种具有良好的可加工性能和优良的耐磨性能,使用寿命是传统结构钢板的数倍,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生产低合金高强度耐磨钢,我国在近10年才打破传统16Mn钢的低级别状态,开始向经济型和高性能方向发展。

  1国内外低合金耐磨钢生产现状

  目前国外生产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,其中,瑞典奥克隆德生产的HARDOX系列,硬度达HB400、HB500、HB550和HB600;德国迪林根的400V和500V;德国蒂森克虏伯的XAR400、XAR450、XAR500;日本的JFE—EH400和EH500等。我国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AM360、AM400及AM450耐磨钢,但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。

  德国蒂森克虏伯XAR系列耐磨钢,硬度范围覆盖HB300-600,主要以Cr、Mo合金化。

  德国迪林根DILLIDUR400、DILLIDUR500等系列耐磨钢板,布氏硬度分别为HB400、HB500,厚度范围可覆盖6-150mm,采用淬火+低温回火工艺。

  我国近年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、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,如中国舞阳钢厂生产的WNM系列耐磨钢是国内耐磨钢的代表。舞阳钢厂拥有先进水平的电炉冶炼、连铸(模铸)、轧制、热处理、精整短流程生产线。主体设备有:4座90t、100t 超高功率电炉,5座90t、100t LF精炼炉,4座90t、100t VD真空炉,3台1900mm、2500mm大型板坯连铸机,9条钢锭大型模铸线,2座4100mm、4200mm宽厚板轧机和常化炉、淬火炉、外机炉、车底炉等热处理炉群,具有500万t钢、360万t宽厚板的生产能力,是国内生产耐磨钢实力较强的企业。

  与国内相比,国外能生产更高强度级别的耐磨钢,布氏硬度覆盖HB200-600,生产厚度规格覆盖6-120mm的范围,远远大于国内生产能力最强的舞钢8-80mm,而鞍钢耐磨钢目前只具有生产厚度为20-60mm的能力,跟国内外先进水平都存在较大差距。

  2鞍钢低合金耐磨钢成分和组织设计特点

  鞍钢生产低合金耐磨钢AM360及AM400采用了Cr、Ni、Mo系列合金化,通过淬火与低温回火热处理,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,使马氏体组织具有高强度,其屈服强度达1100MPa以上,硬度值达到HB330-400,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。面对一些复杂工况或者具有高冲击应力情况下,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。

  具有良好耐磨性的组织应能提供较高的硬度和足够的韧性,马氏体组织具有高强度和高硬度,但其韧性不足,以下分析较高硬度组织状态的韧性和耐磨性。传统高锰耐磨钢铸态组织是奥氏体+马氏体+碳化物,水韧处理后为单一的奥氏体组织,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,即在强烈的冲击载荷或挤压载荷下,受力表面被加工硬化,从而具有良好的耐磨性,但它的使用范围受到限制。低合金钢中淬硬态的组织有马氏体、贝氏体、残余奥氏体和未溶碳化物等。有资料表明: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造成片状马氏体的脆性,因此板条马氏体韧性高于片状马氏体。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。贝氏体钢基本相板条极细,碳含量较高,碳化物多是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。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,材料断裂时吸收能量增加,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。

  不同组织的耐磨性取决于硬度和韧性,在接近硬度下韧性良好的组织相应也有良好的耐磨性。资料表明:板条马氏体耐磨性优于片状马氏体;下贝氏体耐磨性高于相同硬度的回火马氏体。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,可抑制裂纹形成和扩展,阻碍变形和剥层疲劳磨损。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,应力集中而发生脆性剥落。在M/A基体中分布细小弥散碳化物对耐磨性有利,而在基体中分布大块未溶碳化物。在高应力较大冲击下碳化物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,低合金耐磨钢应通过合金控制和热处理获得如下类型的组织状态:板条马氏体+板条间残余奥氏体的组织,可由淬火+低温回火获得。鞍钢AM360、AM400就是按照这种方法生产。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。由于这种组织的耐磨性高于单纯马氏体组织的耐磨性,鞍钢将AM450以上级别的耐磨钢设计成贝氏体+马氏体的复合组织。

  3鞍钢低合金耐磨钢生产工艺设计特点

  从冶炼上来讲,低合金高强耐磨钢的生产需要严格控制钢的化学成分。采用炉外精炼、吹氩脱气等技术,降低钢中的有害气体、夹杂及S、P含量,提高钢质纯度。这方面鞍钢的技术已经比较成熟,为低合金高强耐磨钢的生产提供了必要的基础。

  以AM450生产为例,为了获得所需要的贝氏体+马氏体的复合组织,并且使晶粒细化,提高耐磨钢的综合性能,最经济最有效的方法是控制轧制加控制冷却。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第二阶段轧制,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达到最终产品的组织和性能,获得需要的贝氏体+马氏体复合组织和强韧性要求。

  根据以上分析设计如下生产工艺路线:铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼(LF)—真空处理(VD或RH)—微Ti处理—板坯连铸(电磁搅拌)—加热—控制轧制—控制冷却(离线热处理)。

  4鞍钢低合金耐磨钢生产情况

  鞍钢2004年开始生产铲刃用钢ACR950,用于制造挖掘机或推土机等设备的铲刃,是鞍钢最早的低合金耐磨型钢铁材料,生产厚度范围8-40mm。2005制定了《铲刃用热轧钢板》企业标准,2006年开始研发AM360,2007年投入生产试制;2008年开始研发AM400,并于当年投入生产试制,2009年开始研发AM450,目前处于实验室阶段。

  5结语

  低合金耐磨钢具有广阔的应用前景。随着国内钢铁企业中厚板技术装备水平的提高,目前国内低合金高强度耐磨钢的开发和应用已越来越成熟,如舞钢已研制出相当数量的耐磨钢品种。耐磨钢生产逐步系列化、标准化,2009年已正式形成国家标准GB/T 24186-2009《工程机械用高强度耐磨钢板》。不过鞍钢耐磨钢的研制和生产还处于较低水平。随着鞍钢鲅鱼圈的先进炼钢装备及5500mm厚板轧机的顺利投产,加大高品质、高附加值、高强度耐磨钢产品改进和开发力度,提高鞍钢耐磨钢实物质量。

  大量的试验研究表明,在高强度马氏体基体上分布一定体积分数的下贝氏体,可在保持较高强度前提下显著提高材料的塑性以及冲击和断裂韧性。同时具有较高的抗磨损能力,是低合金耐磨钢发展的一个重要组织结构设计方向。

  通过提高熔炼技术,即纯净钢的冶炼技术,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生产工艺设计方向。

耐磨板|耐磨板厂家价格| 耐磨钢板现货——法钢特种钢材(上海)有限公司
http://www.bmmsteel.com
主要经营:JFE 耐磨钢板JFE 高强钢板DILLIDUR 耐磨钢板DILLIMAX 高强钢板