高强度耐磨钢的应用

高强度耐磨钢的应用

0高强度耐磨钢磨损是材料破坏的主要形式之一。尽管磨损不像腐蚀和疲劳破坏很少引起金属工件灾难性的危害,但其造成的经济损失相当惊人。在冶金矿山、农机、煤炭等行业使用的大量装备,大部分因材料磨损而失效。据统计,在工业发达国家,机械装备及零件的磨损所造成的经济损失占国民经济总产值的4%左右,其中磨料磨损占金属磨损总量的50%。我国每年因磨料磨损所消耗的钢材达百万吨以上,仅煤矿用刮板输送机中部槽每年就消耗6～8万t钢板。因此,加强高强度耐磨钢的开发应用,对国民经济的发展有着重要的意义。近几十年来,高强度耐磨钢的开发与应用发展很快。这类钢是在低合金高强度可焊接钢的基础上发展起来的,耐磨性能好,使用寿命可达传统结构钢板的数倍;生产工艺较简单,一般采用轧后直接淬火加回火,或通过控轧、控冷工艺进行强化。高强度耐磨钢板适用于多种工况条件,日本、德国、瑞典等国的一些钢铁公司都生产高强度耐磨钢。我国在高强度耐磨钢的开发方面起步较晚,在近10年陆续引进工程机械制造技术后,才打破了传统16Mn钢的低级别状态,开始向经济型和高性能方向发展。1高强材料的应用高强度耐磨钢合金元素含量较少,一般为1%～3%。通常所含的化学元素有Si、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Ti、B、Cu、Re等,表1给出了进口高强度耐磨板主要牌号化学成分。国内钢厂生产高强度耐磨钢所加的合金元素多为我国资源丰富的元素,如Cr、Si、Mn、B、RE等。该类钢具有高硬度、高耐磨性、良好的塑韧性以及较优良的焊接性等特点,强度一般大于1000MPa,是目前碳钢板材供货状态下强度最高的产品之一。高强度耐磨钢广泛应用于矿山机械、煤炭采运、工程机械及水泥设备等方面,可以满足大型工程机械在恶劣环境下工作需要高耐磨、长寿命、可简单冷成型的使用要求。例如,用于制造推土机、装载机的铲刀、铲斗、煤矿开采用电铲、自动装卸矿用车及刮板运输机槽底衬板等。此外,凡是机械中有相对运动的工件间均会产生各种类型的磨损,都会要求提高工件材料耐磨性或使用耐磨钢。2高强度耐磨钢目前,国外高强度耐磨钢牌号比较齐全,力学性能等基本上可以满足各种使用要求。国外该类钢的生产和应用已趋于稳定。发达国家的一些钢铁公司已经有了自己的系列产品和标准,其成品板在保证高硬度、高耐磨性的同时,冷弯性能十分优越。如瑞典奥克隆德的HARDOX系列、德国蒂森克虏伯的XAR系列、日本JFE的EVERHARD系列等。这些厂家从20世纪50～60年代开始生产高强度耐磨钢,能够稳定供应厚度6～100mm、HB300～600各级别耐磨钢产品,并为大多数使用环境提出适当的解决方案,并在高磨损环境中得到了成功的应用。在这些高强度耐磨钢产品中,日本JFE生产的EH系列耐磨钢板板形最好,是目前用户加工使用过程中唯一不需要进行校正的产品,不平度≤4mm/m。瑞典奥克隆德公司是世界上最大的耐磨钢板制造商,拥有世界最先进的四辊轧机、全自动化淬火和回火装备,生产工艺先进,可生产厚度范围为3～155mm、宽度为3500mm的钢板。2007年4月,瑞典奥克隆德推出了目前世界上最高强度的耐磨钢HARDOXEXTREME,达到HB700级别。3我国高强度耐腐钢生产现状及市场需求3.1下一步的试验结果一直以来,我国基础零件的耐磨性普遍明显低于国外先进产品的水平。近几年我国耐磨钢领域的技术发展取得了长足进步,武钢、鞍钢、宝钢、舞阳、太钢等中厚板厂均能够稳定供应HB400强度级别以下的耐磨钢板,部分厂家可生产HB500以下强度级别的耐磨钢板。目前,HB400以上强度级别耐磨钢仍主要依赖进口。我国耐磨钢产品强度级别、性能与国外产品相比还有不小差距。国内高强度耐磨钢成分设计总体采用低碳、Mn、Si及Cr-Mo-V-B组合方式,大多以淬火或淬火+回火状态交货。钢板经淬火后获得板条马氏体和少量分布在板条间的残余奥氏体。部分产品以热轧、控轧状态交货,获得贝氏体铁素体(BF)加残余奥氏体(AR)的复相组织。目前,国内主要钢厂生产的高强度耐磨钢产品质量基本上处于同一水平。武钢开发高强度耐磨钢板最早,设备较先进,产品以HB360级别为主,厚度范围为10～50mm,成品性能较好。舞钢热处理手段齐全,成品板幅大,能够生产厚度8～80mm、宽度1600～2500mm的耐磨钢板。太钢高强度耐磨钢板板形较好,不平度可控制在4mm/m以内,达到进口耐磨板板形水平。国内高强度耐磨钢板的生产技术发展时间并不长,与开发历时近半个世纪的国外厂家相比,热处理工艺还不成熟,整体成分设计合金含量较高,通过合金元素强化基体的同时,必然造成了部分塑、韧性的损失。国外先进厂家则通过成熟的生产及热处理技术手段,获得均匀细小的组织,达到良好的强度和塑韧性。表2为部分国产HB360级别和进口HB400级别耐磨钢板成品的典型力学性能数据。可见,与进口耐磨钢板相比,国产耐磨钢板低温冲击韧性普遍较低;进口耐磨钢板在硬度级别提高的同时,仍保持较好的低温韧性。表3所示为国内外部分高强度耐磨钢板生产厂装备情况。3.2高强度耐磨性钢板主要使用情况据市场调查统计,国内煤炭机械行业用HB360～450级别高强度耐磨钢板约40000t/a,产品厚度范围主要为10～50mm。HB500级别及以上耐磨板国内市场需求小,仅少量应用于外资企业,如美国的久益公司(生产刮板运输机)、卡特彼勒(生产大型动输车)等,且主要为进口板。随着国内近年来该类行业加大安全生产投入,耐磨钢板用量呈上升态势。煤炭机械制造用高强度耐磨钢板一般用于大型煤矿综采设备中的中重型(功率≥2×220kW)刮板输送机的制造,中小煤矿的轻型刮板输送机一般不用耐磨板而用Q345B中板。国内煤炭机械用高强度耐磨板主要使用厂家为宁夏西北奔牛实业有限公司、张家口煤矿机械有限公司、山西煤矿机械制造有限公司(表4),这三家厂的用量占煤机耐磨板需求量的70%以上。厚度≤20mm的耐磨板用量不到10%。由于中重型刮板输送机槽宽为650～1200mm,所以耐磨板宽度以1600mm、1800mm为主,要求宽度在2000mm以上的约占20%～30%。在国内工程机械行业中,高强度耐磨钢板应用较少,主要用于装载机铲斗主刀板材料。龙工机械厂、厦门工程机械厂等均以生产ZL50型装载机为主,占全国总量的40%。主刀板下料尺寸(单位:mm)约为(30～32)×(250～300)×(2800～3000),要求耐磨钢板双定尺交货。全国装载机年产量大约为10万台,耐磨板用量约2万t。3.3高强度耐磨钢目前,国内高强度耐磨钢的开发和应用已取得了可喜发展。一些钢铁企业已研制出相当数量的耐磨钢品种,并逐步系列化。但我国尚未形成通用化、系列化的高强度耐磨钢标准,强度体系还很不完善。国内高强度耐磨钢产品与国外先进水平存在着一定的差距,要走的路还很长。今后高强度耐磨钢的发展方向仍是在系列化和经济性两个方面。(1)低合金耐磨钢的标准体系一方面通过改进生产工艺、调整成分,进一步提高现有钢种的性能,扩大其应用范围;另一方面开发更高强度级别耐磨钢,建立从低碳到高碳、适用于不同工况条件的低合金耐磨钢系列,最终形成一个较为完整的通用化、系列化的标准体系。但就目前国内高强度耐磨板的生产技术及市场现状而言,要加快HB500级别以上高强度耐磨板的开发进程,还有待于国内使用材料及零件强度的整体提升。(2)低合金高强度耐磨钢从资源能源、节约成本、技术等角度出发,发展低合金高强度耐磨