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關(guān)于耐磨鋼生產(chǎn)研究現(xiàn)狀與分析

2021-11-02 03:57
中國(guó)金屬通報(bào) 2021年12期
關(guān)鍵詞:貝氏體碳化物馬氏體

李 智

(山東省冶金科學(xué)研究院有限公司,山東 濟(jì)南 250014)

耐磨鋼屬于耐磨材料之一,在各類磨損工況中有著十分廣泛的重點(diǎn)應(yīng)用,科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展,新型耐磨鋼種類也隨之增多,冶煉、鑄造與熱處理以及機(jī)加工工藝同樣獲得創(chuàng)新提升,耐磨鋼所具有的使用年限、綜合力學(xué)性能以及耐磨性能獲得顯著提升。耐磨鋼在冶金、鐵路、軍事與電力等眾多行業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛重點(diǎn)應(yīng)用,也成為不可或缺的關(guān)鍵材料之一?;谙嚓P(guān)統(tǒng)計(jì),機(jī)械裝備及其零部件,由于磨損引起的經(jīng)濟(jì)損失,占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值約4%。所以,提高零部件使用年限,對(duì)磨損問(wèn)題采取有效解決,是機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)、制造與使用應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注和考慮的焦點(diǎn),耐磨材料也成為關(guān)乎現(xiàn)代生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。

1 國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀

當(dāng)前,我國(guó)鋼鐵行業(yè),所生產(chǎn)制造的普通產(chǎn)品,明顯供大于求,而高附加值品種則產(chǎn)量不足,難以充分滿足基本需求。我國(guó)厚板軋機(jī),經(jīng)過(guò)技術(shù)創(chuàng)新與升級(jí)改造,規(guī)格和裝備水平為厚板生產(chǎn)提供可靠保障,厚板軋機(jī)基于大軋制壓力、大功率以及高強(qiáng)度設(shè)計(jì),為TMCP工藝生產(chǎn)性能、質(zhì)量更加優(yōu)秀的厚板提供可靠保障[1]。

針對(duì)國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè),高強(qiáng)度耐磨鋼生產(chǎn)制造,此類鋼鐵企業(yè)逐漸增多,如鞍鋼、湘鋼與寶鋼等。我國(guó)年消耗耐磨鋼,實(shí)際總量已超400萬(wàn)t,鋼板厚度介于6~80(100)mm。針對(duì)耐磨鋼材料,有關(guān)生產(chǎn)工藝設(shè)備,鑒于國(guó)外技術(shù)發(fā)展較早,且技術(shù)較為先進(jìn),我國(guó)也積極引進(jìn)先進(jìn)生產(chǎn)線,基于國(guó)內(nèi)具體情況,創(chuàng)新研發(fā)全新工藝設(shè)備。除此之外,對(duì)煉鋼工藝新技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用,如爐外煉鋼或是連鑄等,產(chǎn)品綜合性能指標(biāo)獲得顯著改善,質(zhì)量、性能方面均獲得有效提高,金屬消耗也得以顯著減少。部分企業(yè)生產(chǎn)工藝的提升,產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)甚至遠(yuǎn)超國(guó)際水平,并向全球其他國(guó)家大量出口,如舞鋼生產(chǎn)的耐磨鋼板,硬度HB≥360級(jí),且具有剛強(qiáng)度結(jié)構(gòu),以原材料生產(chǎn)制造的設(shè)備,對(duì)高沖擊與高磨損工況表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì),同樣可用于屈服強(qiáng)度≥700MPa的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。充分保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,鋼板所具有的沖擊韌性以及焊接性能相對(duì)更高[2]。

針對(duì)國(guó)外鋼鐵企業(yè),生產(chǎn)制造耐磨鋼板的企業(yè)相對(duì)較多,如瑞典奧克隆德,生產(chǎn)研制HARDOX系列;德國(guó)迪林根,生產(chǎn)研制400V、500V產(chǎn)品;德國(guó)蒂森克虜伯,生產(chǎn)研制XAR400、XAR450、XAR500產(chǎn)品;日本JFE,生產(chǎn)研制EH360、EH400、EH500等產(chǎn)品;有關(guān)瑞典奧克隆德鋼鐵企業(yè),其屬于SSAB瑞典鋼鐵集團(tuán)的重要工廠之一,在淬火與回火方面,技術(shù)水平遠(yuǎn)超其他國(guó)家企業(yè),屬于全球范圍內(nèi)最大的耐磨鋼板與超高強(qiáng)度鋼板生產(chǎn)制造商,淬火中厚鋼板生產(chǎn)領(lǐng)域,在全球市場(chǎng)的占比高達(dá)60%,HARDOX Extreme系列的耐磨鋼板,在硬度方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)HB700級(jí)。德國(guó)TKS企業(yè)生產(chǎn)制造的耐磨鋼,耐磨性能較高,結(jié)構(gòu)較為特殊,經(jīng)過(guò)淬火處理或是調(diào)制熱處理,形成馬氏體或是馬氏體-貝氏體顯微結(jié)構(gòu),鋼板厚度最高能夠達(dá)到10mm。日本JFE生產(chǎn)制造的耐磨鋼,以JFE EVERHARD系列為主,涵蓋傳統(tǒng)級(jí)別的同時(shí),并繼續(xù)研發(fā)出全新產(chǎn)品,如超級(jí)耐磨鋼EH-SP,同布氏硬度500級(jí)鋼板做出對(duì)比,所具有的耐磨性能相對(duì)更高[3]。

2 耐磨鋼生產(chǎn)研究現(xiàn)狀

2.1 準(zhǔn)貝氏體高強(qiáng)耐磨鋼

關(guān)于“準(zhǔn)貝氏體”概念,石油康沫狂率先提出,國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者對(duì)此保持高度關(guān)注,并對(duì)力學(xué)性能展開(kāi)科學(xué)深入研究。針對(duì)準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼,其所含成分詳見(jiàn)表1。

表1 準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

基于研究得知,針對(duì)準(zhǔn)貝氏體鋼,有關(guān)其組織構(gòu)成上,主要以貝氏體鐵素體以及殘余奧氏體為主,強(qiáng)度與韌性方面相對(duì)較高,由于具有碳化物,也對(duì)鋼性能產(chǎn)生一定的不利影響。有關(guān)準(zhǔn)貝氏體鋼,對(duì)合金元素的合理?yè)饺?,如Si、Al等,可對(duì)碳化物產(chǎn)生形成有效抑制。針對(duì)殘余奧氏體,其屬于碳的過(guò)飽和固溶體,發(fā)生磨損期間,由于外力作用影響,并獲得高碳馬氏體,由此形成硬質(zhì)點(diǎn)。針對(duì)準(zhǔn)貝氏體,同低碳馬氏體相比,存在一定的相似性,而有關(guān)強(qiáng)韌性以及破斷抗力方面,同樣表現(xiàn)出良好的優(yōu)勢(shì),硬質(zhì)點(diǎn)存在良好的耐磨性,基體破斷抗力相對(duì)較高,磨粒能夠保證穩(wěn)固,且不會(huì)出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象,耐磨性可以得到充分保證[4]。

研究人員通過(guò)以貝氏體鋼為對(duì)象,基于所含標(biāo)準(zhǔn)成分,對(duì)合金元素Si合理?yè)饺耄瑢?duì)碳化物析出形成有效抑制,并開(kāi)發(fā)研究基于貝氏體鐵素體與殘余奧氏體共同構(gòu)成的準(zhǔn)貝氏體組織的高強(qiáng)耐磨鋼,通過(guò)科學(xué)試驗(yàn),對(duì)標(biāo)準(zhǔn)性能做出科學(xué)研究。基于結(jié)果得知,合理工藝標(biāo)準(zhǔn)情況,鋼板也表現(xiàn)出最佳綜合性能,強(qiáng)韌性、耐磨性等方面同樣可以得到充分保證。

研究人員以新型HB400級(jí)高強(qiáng)度準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼板為對(duì)象,基于各不相同溫度標(biāo)準(zhǔn)條件,研究回火工藝對(duì)耐磨鋼板組織、力學(xué)性能和耐磨性能所產(chǎn)生的作用影響。基于結(jié)果得知,鋼板表現(xiàn)出的強(qiáng)韌性、耐磨性能相對(duì)良好,低溫回火工藝,能夠使韌性獲得明顯改善,新型耐磨鋼板也表現(xiàn)出良好的回火抗力。以準(zhǔn)貝氏體鋼為原材料,生產(chǎn)干強(qiáng)度耐磨板,優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)明顯,生產(chǎn)工藝較為簡(jiǎn)便,且成本相對(duì)低廉[5]。

研究人員利用TMCP工藝,使準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼板所具有的性能獲得明顯改善,使生產(chǎn)效率得以有效提高,最終實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的效果。

2.2 奧氏體耐磨鋼

高錳鋼,即 %4.10.1)( -=Cω,,通過(guò)1000-1100℃水韌處理,能夠得到單一奧氏體組織,而有關(guān)韌性以及加工硬化性能上,明顯相對(duì)較高。高錳鋼出現(xiàn)至今,獲得廣泛應(yīng)用,早期階段,高錳鋼也屬于非常重要的耐磨材料。不過(guò),基于實(shí)踐研究得知,高錳鋼耐磨性需要相應(yīng)的基礎(chǔ)條件,需沖擊力和應(yīng)力足夠大,且磨料足夠硬,高錳鋼則具有良好的耐磨性,不過(guò),屈服強(qiáng)度相對(duì)較低,較易發(fā)生變形。鑒于此,隨著鋼鐵行業(yè)的不斷發(fā)展,高錳鋼也被其他耐磨材料所代替。針對(duì)新型奧氏體錳鋼,屬于代替高錳鋼的重要耐磨鋼產(chǎn)品,對(duì)C、Mn元素含量采取合理減少,并對(duì)Cr元素加以合理?yè)饺耄蓪?duì)C、Mn元素含量減少導(dǎo)致鋼機(jī)械能力降低形成有效彌補(bǔ)。重力擠壓作用,或是強(qiáng)烈沖擊作用,此種情況下,高錳鋼表面快速硬化,硬度顯著提高,可達(dá)HB500級(jí),心部并未發(fā)生改變,硬度、韌性保持不變,所以,也多用于沖擊磨損工件。C元素含量的明顯增加,能夠使奧氏體錳鋼所具有的抗磨性獲得顯著提升,不過(guò),僅對(duì)C元素含量做出改變,相應(yīng)的碳化物含量同樣出現(xiàn)明顯增加。所以,為對(duì)碳化物析出形成有效抑制,可對(duì)Nb、Mo等元素合理?yè)饺耄⒉扇∠鄳?yīng)的熱處理,以此獲得過(guò)飽和單相奧氏體,使錳鋼所具有的韌性可以獲得有效提高。熱處理期間,碳化物出現(xiàn)明顯的溶解,奧氏體晶粒則也出現(xiàn)明顯的增大,對(duì)材料性能造成一定的影響。所以,有關(guān)針狀碳化物問(wèn)題,需運(yùn)用科學(xué)合理的處理方法,通過(guò)采取科學(xué)有效的處理,使針狀碳化物能夠得到有效抑制,避免對(duì)高錳鋼所具有的各項(xiàng)性能產(chǎn)生不利影響,促使高錳鋼所具有的耐磨性可以獲得有效提高。

有關(guān)軋制工藝,研究人員研發(fā)基于深度軋制為主,通過(guò)預(yù)變形表面硬化的方式,對(duì)高錳鋼作出有效處理?;诮Y(jié)果得知,形變量發(fā)生變化,出現(xiàn)明顯增加的情況下,組織內(nèi)位錯(cuò)及孿晶密度也會(huì)受到影響,并表現(xiàn)出明顯增加的趨勢(shì),晶粒同樣也出現(xiàn)相應(yīng)的細(xì)化。由于采取深度冷軋的方式,以至于高錳鋼表面組織發(fā)生相應(yīng)的改變,高密度位錯(cuò)及孿晶組織的出現(xiàn),使高錳鋼耐磨性能獲得明顯的改變提升,磨損表面存在的脆性剝落同樣得到有效改善。與此同時(shí),心部韌性相對(duì)良好,同樣可使磨損期間疲勞剝落得到一定的改善。此軋制方式的合理運(yùn)用,對(duì)高錳鋼使用效率和應(yīng)用范圍的有效提升具有重要的影響和意義[6]。

2.3 馬氏體耐磨鋼

針對(duì)低合金馬氏體鋼,采用Mo、Cr、Ni等元素合金化,并結(jié)合淬火以及低溫回火熱處理,形成回火馬氏體組織,韌性、強(qiáng)度與硬度方面相對(duì)較高。針對(duì)低合金馬氏體鋼奧氏體,表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性,采取回火處理,可對(duì)淬火所形成的殘余應(yīng)力產(chǎn)生作用影響,最終得以有效降低或是消除,使材料所具有的韌性得到顯著提高,脆性得以有效降低,獲得韌性、強(qiáng)度與硬度適當(dāng)配合[7]。針對(duì)低合金馬氏體鋼,具有相應(yīng)的高位錯(cuò)板條狀馬氏體,可對(duì)磨損期間裂紋問(wèn)題形成有效抵抗,與奧氏體高錳鋼作出對(duì)比,中等沖擊磨損標(biāo)準(zhǔn),此鋼表現(xiàn)出更加良好的綜合機(jī)械性能。此外,化學(xué)成分開(kāi)工至以及熱處理工藝標(biāo)準(zhǔn)同樣有著較為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)馬氏體耐磨鋼,其所含成分詳見(jiàn)表1。

表2 馬氏體耐磨鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

針對(duì)低合金耐磨鋼,C元素是影響性能的主要因素之一,C元素含量的不斷提高,鋼硬度盡管能夠獲得顯著提高,不夠,韌性、塑性同樣獲得顯著降低。Cr的合理加入,能夠使耐磨鋼所具有的抗氧化性獲得明顯改善,使淬透性得以有效提高,抗腐蝕性能以及耐磨性同樣獲得顯著提高。Ni的合理加入,能夠耐磨鋼強(qiáng)度得以顯著,而有關(guān)韌性、塑性以及工藝性能,同其他合金元素做出比較,損害影響明顯更小。Mo的合理加入,確保馬氏體的有效形成,使淬透性以及碳化物穩(wěn)定性能夠獲得明顯的提高。Si的合理加入,促使固溶體嵌固端以及回火穩(wěn)定性得以有效提高。Mn的合理加入,臨界冷卻速度出現(xiàn)明顯降低,同樣也屬于適宜的脫硫劑以及脫氧劑。B的合理加入,促使材料淬透性得以成倍提高。稀土的合理加入,可使耐磨鋼組織得到明顯改善,細(xì)化晶粒的同時(shí),有效凈化鋼液。

研究人員以貝氏體-馬氏體耐磨鋼板為對(duì)象,基于組織、力學(xué)性能作出深入研究?;谘芯康弥?,以低碳貝氏體鋼為基礎(chǔ),通過(guò)Si的合理加入,能夠?qū)μ蓟镂龀鲂纬捎行б种疲源双@得全新的貝氏體-馬氏體組織,此種鋼不但在強(qiáng)度、硬度方面表現(xiàn)出良好優(yōu)勢(shì),低溫沖擊韌性同樣相對(duì)較高[8]。

3 結(jié)論

綜上所述,隨著工業(yè)4.0時(shí)代與中國(guó)2025制造的全面推進(jìn),對(duì)高級(jí)耐磨鋼的整體需求量持續(xù)增加,不過(guò),國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)的高級(jí)耐磨鋼存在明顯的供不應(yīng)求,高質(zhì)量耐磨鋼的總進(jìn)口量依然較高。隨著鋼鐵行業(yè)結(jié)構(gòu)的深化改革,熱處理生產(chǎn)線被大量引進(jìn),生產(chǎn)制造高附加值耐磨鋼也成為發(fā)展重點(diǎn)。先進(jìn)高強(qiáng)度耐磨鋼的科學(xué)研發(fā)對(duì)鋼鐵行業(yè)有著重要的影響和意義,對(duì)耐磨材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展同樣至關(guān)重要,進(jìn)而促進(jìn)我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)邁入全球一流水平。

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