国内外低合金耐磨板研发现状(一)

  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。

  低合金高强度耐磨板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板,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.国内外低合金耐磨板生产现状

  目前国外生产耐磨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板的厂家主要有舞钢、武钢、宝钢、南钢等。鞍钢也已开发出AM360、AM400及AM450耐磨板,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。

  瑞典奥克隆德的HARDOX悍达400和450是多用途的耐磨板,由于其高韧性、良好的弯曲和焊接性能,在一些应用中也可用作承载用途。HARDOX悍达500是一种可弯曲和焊接的耐磨板,可应用于对耐磨性能要求更高的领域。HARDOX悍达550是一种平均硬度为550HB的耐磨板板,其韧性与HARDOX悍达500相同,被应用于高磨损的场合。当从HARDOX悍达500钢板升级到该产品时,在布氏硬度上提高了50个单位,在不损失钢板韧性的情况下延长了耐磨寿命;HARDOX悍达600是世界上最硬的耐磨板板,硬度值达到600HB。

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

  德国迪林根DILLIDUR400DILLIDUR500等系列耐磨板,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板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系列耐磨板是国内耐磨板的代表。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,是国内生产耐磨板实力较强的企业。

  与国内相比,国外能生产更高强度级别的耐磨板,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,而鞍钢耐磨板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.鞍钢低合金耐磨板成分和组织设计特点

  鞍钢生产低合金耐磨板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板,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板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板。

  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。传统高锰耐磨板铸态组织是奥氏体+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,低合金耐磨板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以上级别的耐磨板设计成贝氏体+马氏体的复合组织。

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