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(jì)，由磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失是相當(dāng)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(jī)磨球磨損消耗近200萬t，各種破碎機(jī)襯板消耗近50萬t，軋輥消耗近60萬t，各種工程挖掘機(jī)、裝載機(jī)、輸送管道、破碎機(jī)錘頭和鄂板等消耗超過50萬t，因此對(duì)耐磨的研究具有十分重大的意義。
低合金高強(qiáng)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(jiǎn)單，一般采用軋后淬火加回火，或者通過控軋控冷工藝進(jìn)行強(qiáng)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(qiáng)度耐磨鋼，我國在近10年才打破傳統(tǒng)16Mn鋼的低級(jí)別狀態(tài)，開始向經(jīng)濟(jì)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(dá)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(tái)1900mm、2500mm大型板坯連鑄機(jī)，9條鋼錠大型模鑄線，2座4100mm、4200mm寬厚板軋機(jī)和常化爐、淬火爐、外機(jī)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(shí)力較強(qiáng)的企業(yè)。
與國內(nèi)相比，國外能生產(chǎn)更高強(qiáng)度級(jí)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于國內(nèi)生產(chǎn)能力最強(qiáng)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(jìn)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(jì)特點(diǎn)
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(cuò)、細(xì)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(qiáng)度，其屈服強(qiáng)度達(dá)1100MPa以上，硬度值達(dá)到HB330-400，能滿足一般機(jī)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(yīng)力磨料磨損條件下，耐磨性顯得不夠。面對(duì)一些復(fù)雜工況或者具有高沖擊應(yīng)力情況下，需要進(jìn)一步提高耐磨鋼的強(qiáng)度和硬度以及耐磨性，研制開發(fā)出具有更高硬度級(jí)別的耐磨鋼。
具有良好耐磨性的組織應(yīng)能提供較高的硬度和足夠的韌性，馬氏體組織具有高強(qiáng)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(qiáng)度低，具有良好的韌性和加工硬化能力，即在強(qiáng)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(zhǔn)解理斷裂時(shí)消耗較多的斷裂功，從而提高了韌性，而片狀馬氏體斷裂時(shí)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(xì)，碳含量較高，碳化物多是以微細(xì)顆粒均勻分布在基體上，組織內(nèi)應(yīng)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(yīng)力松馳，阻礙裂紋擴(kuò)展，材料斷裂時(shí)吸收能量增加，而使韌性改善。未溶碳化物會(huì)引起應(yīng)力集中，形成裂紋源，有利于裂紋擴(kuò)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(yīng)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(yīng)力磨損下，殘余奧氏體增多，硬度降低，耐磨性下降。高應(yīng)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(kuò)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(jī)中的磨球，過多殘余奧氏體對(duì)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(yīng)力集中而發(fā)生脆性剝落。在M/A基體中分布細(xì)小彌散碳化物對(duì)耐磨性有利，而在基體中分布大塊未溶碳化物。在高應(yīng)力較大沖擊下碳化物作為裂紋源引起脆性斷裂剝落，對(duì)耐磨性不利。
根據(jù)以上分析，低合金耐磨鋼應(yīng)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(fù)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(jí)別的耐磨鋼設(shè)計(jì)成貝氏體+馬氏體的復(fù)合組織。
3.鞍鋼低合金耐磨鋼生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)特點(diǎn)
從冶煉上來講，低合金高強(qiáng)耐磨鋼的生產(chǎn)需要嚴(yán)格控制鋼的化學(xué)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(qiáng)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(fù)合組織，并且使晶粒細(xì)化，提高耐磨鋼的綜合性能，最經(jīng)濟(jì)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(qiáng)度和韌性同時(shí)提高，而且能節(jié)約熱處理過程造成的能源消耗，簡(jiǎn)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(dá)到完全再結(jié)晶，爭(zhēng)取在高溫條件下軋制較多道次，并適當(dāng)延長軋后停留時(shí)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(shí)進(jìn)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(dāng)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(dá)到細(xì)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(dá)到最終產(chǎn)品的組織和性能，獲得需要的貝氏體+馬氏體復(fù)合組織和強(qiáng)韌性要求。
根據(jù)以上分析設(shè)計(jì)如下生產(chǎn)工藝路線：鐵水預(yù)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(jī)或推土機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，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(dāng)年投入生產(chǎn)試制，2009年開始研發(fā)AM450，目前處于實(shí)驗(yàn)室階段。
5.結(jié)語
低合金耐磨鋼具有廣闊的應(yīng)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(qiáng)度耐磨鋼的開發(fā)和應(yīng)用已越來越成熟，如舞鋼已研制出相當(dāng)數(shù)量的耐磨鋼品種。耐磨鋼生產(chǎn)逐步系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，2009年已正式形成國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24186-2009《工程機(jī)械用高強(qiáng)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(jìn)煉鋼裝備及5500mm厚板軋機(jī)的順利投產(chǎn)，加大高品質(zhì)、高附加值、高強(qiáng)度耐磨鋼產(chǎn)品改進(jìn)和開發(fā)力度，提高鞍鋼耐磨鋼實(shí)物質(zhì)量。
大量的試驗(yàn)研究表明，在高強(qiáng)度馬氏體基體上分布一定體積分?jǐn)?shù)的下貝氏體，可在保持較高強(qiáng)度前提下顯著提高材料的塑性以及沖擊和斷裂韌性。同時(shí)具有較高的抗磨損能力，是低合金耐磨鋼發(fā)展的一個(gè)重要組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)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(gè)重要的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)方向。
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