钢铁耐磨耐磨材料技术进展

钢铁耐磨耐磨材料技术进展

耐腐蚀材料是耐腐蚀材料的主要类型。针对我国年用量约200万吨耐磨钢铁件的市场，我国已形成了钢铁耐磨材料产业，已大批量生产了奥氏体耐磨锰钢、耐磨白口铸铁、耐磨合金钢、耐磨球铁和耐磨钢铁基复合材料等5大系列耐磨钢铁件，同时形成了适于规模生产的钢铁耐磨材料工程化和产业化技术。随着与工业发达国家学术和技术交流、生产合作和市场贸易的发展，我国引进、消化、吸收了一批国外先进的钢铁耐磨材料技术，提高了我国耐磨材料产业的技术水平。伴随着我国耐磨材料产业的发展，在市场的导向下，我国一部分高等院校、科研院所和耐磨材料企业又自主研发了一批有自主知识产权的钢铁耐磨材料技术，有力地促进了耐磨材料行业的技术进步。笔者将在此背景下介绍近来国内外钢铁耐磨材料技术的进展，侧重产业化技术，并就该技术领域的进步和耐磨材料产业的发展提出一些建议。1抗钢铁材料1.1权利条件和性能要求目前，国内外生产和应用的奥氏体锰钢仍以Mn13系列为主，其中在日本等一些国家较推崇屈服强度和耐磨性较高的Mn13Cr2耐磨钢。奥氏体锰钢以高韧性、易加工硬化和一定强度著称。迄今在大冲击载荷磨料磨损工况（如圆锥式破碎机轧臼壁和破碎壁，旋回式破碎机衬板、大中型颚式破碎机颚板、大型锤式破碎机锤头以及大中型湿式矿山球磨机衬板）仍主要选用奥氏体锰钢。奥氏体锰钢的成熟体现在标准化上，在主要工业发达国家均有了国家标准（或相当于国标的标准），并于1999年诞生了奥氏体锰钢铸件国际标准（ISO13521:1999）。我国则制订了高锰钢铸件国家标准（GB/T5680-1998）和铸造高锰钢金相国家标准（GB/T13925-1992），特别是在我国高锰钢铸件国标中规定了不含Mo、Ni的两个牌号ZGMn13-2和ZGMn13-3的冲击韧度αku≥147J/cm2，以体现高锰钢的高韧性特点。近年来，奥氏体锰钢的技术进步主要表现在生产过程中严格控制影响性能的Si和P含量，特别是含P量的限制，某些出口锰钢件已要求P≤0.04%；另外为减少铸造高锰钢的夹渣、柱状晶和晶粒粗大现象，V、Ti、Nb和RE等微量元素常被加入高锰钢；常被称为超高锰钢的Mn17(Mn18）和Mn25等高锰钢得到生产和应用，其中标准含碳量的120Mn17钢还被列入了奥氏体锰钢铸件国际标准。超高锰钢有利于解决厚大断面锰钢水韧处理后内部易出现碳化物而降低韧性的问题，也利于解决锰钢件低温工况使用可能脆断的问题。但在大冲击载荷磨料磨损工况下超高锰钢的耐磨性和性价比，以及相关的Mn、C和Mn/C选择等关键问题还有待深入研究和不同工况广泛应用实践的验证。在不降低冲击韧性的情况下提高耐磨性是奥氏体锰钢发展的一个重要方向。我国部分高锰钢生产企业现存在生产技术措施不到位的问题，突出表现在高锰钢的冲击韧度达不到国标的要求，以至于某些铸件在使用中开裂，这是应该引起企业足够重视的重要问题，实际上这是我国部分高锰钢件与工业发达国家的主要差距。1.2试验研究与材料开发铬系白口铸铁目前仍是国内外耐磨铸铁的主流，Cr15、Cr20和Cr26系列高铬耐磨铸铁在美、日和我国均已大批量生产和应用。我国在高铬铸铁基础上又研发了中铬硅耐磨铸铁和适于铸态应用的低铬耐磨铸铁，并已批量生产和工业应用。近年来，为解决冲蚀磨损工况零部件的耐磨性问题，提高高铬铸铁硬度成为一个发展方向。工业生产和应用实践表明，耐磨铸铁的硬度达到HRC60是一个较高的级别，而达到HRC63是更高的一个级别，它预示着材料耐磨性的显著提高。在对HRC63级耐磨铸铁的技术攻关中，石家庄泵业集团公司研究开发出了高碳超高铬过共晶白口铸铁，该铸铁含4.0%～6.0%C,30%～40%Cr，通过细化处理控制初生M7C3横断面尺寸多为40μm以下，最大者小于80μm。借助于高体积分数和高硬度的碳化物，铸铁热处理后硬度达到HRC63～68，冲击韧度达到4～5.5J/cm2(20mm×20mm×110mm无缺口试样），性能与澳大利亚沃曼公司制造的A217高碳超高铬白口铸铁（5.0%C,35%Cr）相当。工艺上着重解决了缩松和热裂问题，用该铸铁生产出6/4E-AH和8/6E-AH渣浆泵过流件，在广西车河选矿厂工业试验，4口寸泵前护板使用时间432h以上，明显高于对比的KmBTCr26铸铁前护板（120h）。另一项技术是广州有色金属研究院和暨南大学通过C-Cr-Mo-W的合金化，发挥W和Mo强碳化物形成元素的作用，提高Cr26高铬铸铁的铬当量和铬碳比，进而提高铸铁的碳化物体积分数和M7C3的硬度，使淬回火的280Cr25MoW3铸铁的硬度达到HRC63,240Cr25Mo2W3铸铁硬度HRC63.5，淬回火280Cr25Mo2W3铸铁的硬度达到HRC65，在低角度盐水砂浆冲刷腐蚀试验中表现出了优异的耐磨蚀性能。高钒耐磨白口铸铁（有些文献中亦称高钒高速钢）是近年来国内几十家水泥厂应用较好的一种耐磨材料。高钒铸铁成分2.0%～4.0%C,8.0%～15%V,2.0%～8.0%Cr,1.0%～5.0%Mo。其主要碳化物为MC型（HV2600左右），碳化物呈球状或近球状，碳化物显微硬度高且对金属基体的割裂小，使淬回火后的铸铁硬度达HRC60～65，冲击韧度6～12J/cm2(20mm×20mm×110mm无缺口试样，跨距70mm），水泥厂反击式破碎机工业应用试验表明，该铸铁板锤耐磨性是高铬铸铁板锤的2～4倍。耐磨铸铁材料的研究开发明显影响着耐磨件的选材和生产，以下几个方面的试制和应用是有益的，也是这一领域的几个发展方向。一是以减少Mo、Ni、Cu等贵重合金元素从而降低生产成本为目的的合金元素优化工作。原标准体系中有些耐磨合金铸铁在合金元素配置上是一范围，对某些“过剩”的合金元素再优化和细化是必要和可行的；二是以提高C、Me（合金元素）量为手段，获得高硬度过共晶铸铁，可提高铸铁的抗磨损能力和抗冲刷腐蚀（以磨损为主的冲刷腐蚀）能力，但不要忽视材料的脆性问题；三是以降低C量为手段获得较好韧性的亚共晶铸铁，如亚共晶高铬铸铁，可提高铸铁的抗冲击能力和抗氧化磨损能力，但不要忽略离异共晶可能给某些亚共晶白口铸铁带来的韧性下降的问题。1.3非锰系耐磨性硅材料近些年来,非锰系耐磨合金钢的成果之一是冶金矿山湿式球磨机衬板材料的研发和应用。合肥工业大学、合肥水泥研究设计院和宁国耐磨材料总厂合作研制了一种低碳高合金铸钢衬板（0.16%～0.28%C、7.0%～10%Cr、1.5%～2.2%Ni、0.5%～0.8%Mo）。衬板淬回火热处理后硬度HRC45～52，冲击韧度αku≥50J/cm2，在Φ1.5m×3.0m和Φ2.7m×3.6m铁矿球磨机上工业试验，使用寿命是高锰钢衬板的2倍以上，取得了较好的应用效果。针对氧化铝厂的铝矿湿式球磨机衬板，广州有色金属研究院和暨南大学开展了研制工作，就这一强碱性热铝矿浆（≥80℃，pH≥14）工况，首先从应用基础研究开始，研究发现该工况下高锰钢有明显的碱脆开裂（应力腐蚀开裂）现象，高锰钢的腐蚀和碱裂现象均比铬合金钢严重，指出高锰钢衬板不适于这一工况。之后系统研究了合金元素Cr对钢在热强碱性条件下腐蚀、冲击磨损及冲击腐蚀磨损的影响，研制出了含Cr量较低的多元低合金马氏体铸钢衬板，并实现了工业生产和应用。盐浴等温淬火耐磨硅合金铸钢的研究取得了进展并已实现工业生产和应用，该铸钢（0.5%～1.2%C、1.5%～3.5%Si、Mo<0.8%）炉前做RE、V、Ti复合孕育变质处理并进行钢包吹氩处理，硅合金钢斗齿经硝盐等温淬火（奥氏体化温度880℃～1020℃，时间大于2h；盐浴等淬温度260℃～360℃，时间2～4h），显微组织为奥氏体+贝氏体，σb为1200～1800MPa，σs为1000～1600MPa,HRC>50，αkv为15～25J/cm2(10mm×10mm×55mmV型缺口试样），在1m3采石挖掘机上使用（石料硬度f为7～10，尺寸小于400mm），使用寿命优于镍铬钼马氏体合金钢斗齿。该铸钢具有较好的强韧性配合和良好的形变硬化性能，表现出较高的耐磨性能。非锰系耐磨合金钢在扩大应用范围方面，如以市场为导向在湿式球磨机衬板的选材研究和应用上取得了成效，这种扩大使用范围和提高使用寿命的应用研究仍将是这一领域的发展方向之一。非锰系耐磨合金钢特别是中碳中、低合金钢的另一发展方向是提高钢的强度、硬度和韧性配合，以全面提高钢的抗冲击和耐磨损能力。关于中碳中、低合金铸钢，通过合金化、铸造工艺和热处理工艺仍有进一步提高力学性能和拓展应用的空间，这一点值得关注。继前些年国内外有人将含0.30%C的多元低合金耐磨铸钢的硬度提高到HRC52级之后，近年在中碳低合金铸钢的高强度、高硬度和高韧性研发上又有新进展，如硬度达HRC50的钢，αku达到200J/cm2；硬度达HRC55的钢，αku达到100J/cm2。体现出了较高的硬韧性配合。由于这类钢的强度与硬度基本成正比，硬度又是标志这类钢耐磨性的重要指标，作者以为用硬度与韧性的配合，即硬韧性来表现耐磨钢的综合性能是可行的，就中碳低合金铸钢而言，努力争取钢的硬韧性配合应满足下式：HRC=50+2.5X(1），αku=200-50X(2），其中X可取-1,0,1,2,3。则中碳低合金铸钢可进一步扩大应用范围，提高使用寿命并创造出显著的经济效益。1.4duocast和xwit复合技术通过液淬热处理生产出高硬度和一定韧性的马氏体耐磨球铁，通过Mn等合金化与液淬热处理制造出硬韧性配合较好的贝氏体—马氏体耐磨球铁。这两类耐磨球铁在国内已用于球磨机衬板等耐磨件，特别是磨球的工业化生产。等温淬火球铁（ADI）具有高强度、一定韧性和良好加工硬化特性，在国内外已被用于齿轮、凸轮轴、汽车牵引钩等易磨损件。钢铁基耐磨复合材料是近些年国内外耐磨材料研究开发的热点之一，在一些严酷的磨损工况中得到了工业应用。比利时MAGOTTEAUX公司，继“Bimetal”钢铁双金属复合技术（耐磨层是硬度>HRC61的高铬铸铁，其他部位是αku>245J/cm2的低碳合金钢）研制出≤200kg的锤破机锤头之后，又开发出“Duocast”和“Xwin”复合技术。“Duocast”技术分别将硬度HRC58～61高铬铁（Duocast12）、HRC60～65高铬铁（Duocast18）、HRC63～68高铬铁（Duocast46）镶嵌在σb为780MPa的球铁中，生产出大型立磨的磨辊，磨辊使用寿命明显高于高铬铸铁磨辊亦高于堆焊辊。“Xwin”技术在立磨高铬合金磨盘（磨辊）表层镶嵌高硬异质颗粒，可调整复合层厚度，磨盘使用寿命显著高于硬度HRC58～60的镍硬4铸铁。新的技术是将Duocast和Xwin复合技术再组合用于立磨磨辊，使用效果又优于Duocast磨辊。我国耐磨复合材料经历了双液双金属材料，高铬铁———钢镶铸材料、高铬铁———钢机械组合材料等几个阶段后，近年以复合大锤头（≥90kg）为标志的高锰钢镶铸硬质合金（或耐磨铸铁）复合材料实现了工业化生产和应用，复合大锤头寿命比原用普通高锰钢锤头提高了30%～100%。陶瓷颗粒增强钢铁基耐磨复合材料是近年国内外研究开发的热点之一。考虑到生产成本和应用实际，这类复合材料大多被制备成表层硬化的表面复合材料。近些年在应用基础研究方面，针对WC、TiC、Al2O3、SiC等陶瓷颗粒特性，与钢铁（液）冶金结合效果，表面复合材料技术工艺参数等方面的工作取得系列成果，在此基础上开发出了多种钢铁基表面复合材料。鉴于强烈滑动（滚动）摩擦磨损，特别是磨料磨损工况，要求易损件耐磨复合层须有一定厚度，显然在这一工况领域用铸渗技术（重力、压力、离心力、负压条件下）得到表面复合材料较有前途，其中WC等陶瓷颗粒增强钢铁基表面复合材料轧钢导卫板和溜槽衬板已实现工业化生产和应用。关于铸渗表面复合材料，减少或不用粘接剂等添加剂得到冶金结合和致密的表面复合层是关键技术之一，提高复合层致密度和增加复合层厚度（>10mm）是继续努力的方向，而由单一平面表层铸渗技术发展出弧面等复杂面表层铸渗技术是该领域的研发重点和难点。2感应炉造渣、聚渣和排渣技术铸造磨球因尺寸规格整齐和批量大而成为机械化和自动化生产线首选的耐磨件。近年来，国内一些较大的专业磨球厂相继新建或改造了磨球机械化和自动化生产线，金属型覆砂、Disa、EPC、覆膜砂等磨球生产线提高了磨球生产效率和内外质量。VRH法、V法和EPC生产线在衬板等其他耐磨件生产中亦有较好的应用。继山西长锋公司之后，国内又有一些企业新建了耐磨件树脂砂生产线，使耐磨件内外质量均有明显的提高。钢铁液熔炼、精炼和过滤技术是耐磨件生产关键技术，亦是我国耐磨材料生产技术与工业发达国家的主要差距之一。感应熔炼炉电耗较少和效率较高，但脱磷和脱硫效果比电弧炉差，因而感应炉造渣、聚渣和扒渣工艺就显得极为重要。AOD等精炼炉在国内耐磨件铸造厂还很少有应用，简易方法的钢铁液吹氩处理有一定成效但也用之甚少。陶瓷网（砖）过滤技术是成熟的铸造技术，亦是熔炼后净化钢铁液的补救和保证措施，但国内绝大多数企业都将其束之高阁。我国绝大多数耐磨件企业脱胎于原来的机械工业机械（修）厂和铸造厂，工艺技术亦受之遗传影响，建议有关企业借鉴冶金工业钢铁厂的冶炼技术，能够真正实现对钢铁液的熔和炼。钢铁液炉前孕育变质处理技术是有我国特色的工艺技术，是提高钢铁液质量的有力措施之一，它在一定程度上能够弥补熔炼钢铁液过程中的不足。过去的20余年中，国内就此开展了众多的研发工作，具有较坚实的理论基础和应用实践经验。可是许多企业存在孕育变质剂选用失误、用量不准和操作不当几个突出问题，未能实现孕育变质处理的初衷。我国是稀土资源和生产大国，过去一个时期轻稀土孕育变质剂在耐磨钢铁件生产中得到较广泛的应用，而近年来钇基重稀土复合孕育变质剂在高铬耐磨铸铁生产中也取得了较好的应用效果。热处理是耐磨钢铁件提高硬度和韧性、减少或消除应力的主要工艺手段。近年来在耐磨钢铁件热处理方面有两个明显的进步，一是多品种淬火介质的研发和选用，提高高铬铸铁和合金钢的淬火冷却速度和淬透性，以减少昂贵合金元素的用量，同时提高材料的强度和硬度；二是系统研究了耐磨合金钢和耐磨合金铸铁的热处理规律，优化出提高材料硬度和韧性的淬回火工艺参数，提高了材料的耐磨性同时扩大了应用范围。在热处理方面，由于本行业多品种多钢（铁）种的特点，多种合金元素的交互作用，使热处理工艺有别于常规钢铁材料，进一步优化工艺参数仍是今后努力的方向之一。另外耐磨件表面硬度至关重要，减少耐磨件热处理氧化的工艺和设备研发也是需要加强的重要工作。3一些需要考虑的问题3.1本材料在热处理过程中的应用要求有哪些?一个时期以来，市场上钼铁、镍、铜等合金原材料价格居高不下，使耐磨合金钢铁材料的生产成本攀升，制约了耐磨合金钢铁件的生产和应用。现在有必要有针对性地开展以下几方面工作。(1)通过热处理，特别是工艺参数优化和淬火介质的选择，挖掘材料潜力，提高材料的性能，以减少合金元素用量；(2)据具体工况选材，细化耐磨合金钢和合金铸铁的牌号，改变一个牌号生产多种产品的习惯，减少合金元素用量；(3)据工况生产和选用表面耐磨复合材料；(4)计算耐磨件的性价比，生产和选用高性价比的耐磨材料。3.2生产所需的要求耐磨钢铁件因硬度较高或强烈的加工硬化而使机加工较难，除了机器装配的要求，少无机加工是耐磨钢铁件生产所追求的目标。(1)首先须提高铸件的表面质量和尺寸精度，选择良好模具与机器造型，优质型砂与涂料，是必要的措施；(2)铸造和热处理等热加工须防止铸件变形；(3)对于已变形的锰钢件和其他合金钢件可分别于室温和高温下用压力机整形；(4)无可避免需机加工时，尽量选用陶瓷刀具，以提高生产效率。3.3铸造大型化半自磨机由于机械装备渐趋大型化，与之配套的耐磨钢铁件也有大型化和结构复杂化的趋势。例如，国内长钢瑞昌水泥公司应用LOESCHE公司生产的LM56.2+2S型辊式立磨，其主磨辊Φ2650mm×750mm，单重超12t；云南某铁矿引进了目前国内最大的Φ8.53m×4.27m半自磨机，衬板大型化而且冲击磨损状态变得严酷；挖掘机大型化，已使用20m3、28m3和35m3挖掘机，对大型斗齿提出了新的抗冲击磨损要求；大型挖泥船配用大型疏浚泥浆泵，太原重型机器厂与石家庄水泵厂试制了国内最大的高铬铸铁护套，毛重达17t，最大外径4.2m，最大壁厚0.11m。耐磨钢铁件大型化给生产带来了难度，特别是对铸造、热处理和机加工设备提出了更高要求，而工艺技术也须相应做出调整。3.4u2004在耐磨性钢铁件生产中的应用近年来磁场、电场、超声波等物理场对金属液凝固过程的影响已取得了研究成果。电磁场作用已在冶金工业钢的连铸过程和有色金属工业铜材连铸过程中成功应用，表现出了细化晶粒和提高连铸坯内外质量的特点，在国内耐磨钢铁件生产中尚无应用，希望不远的将来物理场作用下的耐磨钢铁件铸造技术能够进一步提高耐磨件的质量和性能。3.5耐磨性铁的材料研究过去一些年国内,沈阳铸造研究所、山东工