低合金耐磨钢的开发.pdf

低合金耐磨钢的开发 低合金耐磨钢由于合金含量低，综合性能良好，生产灵活方便等 优点被广泛应用于工作条件恶劣，要求强度高、耐磨性好的机械产品 上。据统计，我国每年因磨损造成的损失高达GDP 的4.5%左右，超过 10000 亿人民币。因此，解决磨损和延长机械设备及其部件的使用寿 命一直是工业界人士在设计、制造和使用各种机械设备所需要考虑的 首要问题。2012 年，科技部高品质特殊钢科技发展“十二五”专项 规划中明确将工程机械用耐磨钢作为高品质特殊钢七大关键材料开 发之一，足以体现了我国对耐磨钢材料的重视。 RAL 从2007 年起开始研发低合金耐磨钢，并在2009 年在首钢率 先得到部分推广应用，截止目前，已经从当初研究的NM360发展到现 在的NM600，从当初的单纯提高硬度和韧性来提高耐磨性发展到现在 的通过组织协同控制和微合金析出物控制来增强耐磨性能。目前RAL 研发的高级别低合金耐磨钢NM550 已经在国内南钢率先进行批量化 生产，同时研发的低合金耐磨钢类型根据工况条件的需要涵盖了低成 本型、高韧性型和高耐磨性等各种类型。 1 合金与组织设计 对于切屑磨损，根据拉宾诺维奇公式可知，在外在载荷一定的情 况下，材料的硬度是决定抵抗切削磨损耐磨性的直接因素。提高材料 的切屑磨损可以直接用增加材料的硬度来实现。而硬度除了和合金元 素有关，还与组织的类型有关。在相同的组织情况下，各种合金元素 中，碳含量对硬度的影响最大。而在各类常规组织中，马氏体组织的 硬度最大。因此可以通过增加碳的含量和提高马氏体的体积分数来增 加材料的硬度，从而达到提高切屑磨损耐磨性的目的。钢铁材料的疲 劳磨损除了与硬度有关外，还与断裂韧性关系密切，增加断裂韧性能 够增加其耐磨性能。而提高材料断裂韧性最常用的方法是控制材料组 织的类型及其比例和大小，以达到控制其最小韧塑性单元的目的。此 外，腐蚀磨损也是金属材料磨损失效的一个重要方面。在合金和组织 的设计过程中应引起关注。在腐蚀严重的耐磨件上，成分设计时应适 当添加一些如Mo、Cr、Ni 等合金元素，以提高其抗腐蚀能力。 而现实机械零部件在使用过程中，常常同时伴随着切屑磨损、疲 劳磨损和腐蚀磨损，各种磨损机制相互交错在一起，非常复杂。因此， 在合金和组织设计时应该根据该部件的主要使用工况来综合考虑，以 达到最大限度地提高耐磨件使用寿命的目的。 2 低成本耐磨钢的研究与开发 在目前国内钢铁产能过剩的情况下，成本控制对于企业发展来说 尤为重要，如何控制好成本，直接关乎到企业产品在市场上的竞争力。 对于部分磨损工件来说，在遭受磨损时遇到的冲击力极小或几乎 不受冲击作用。根据前面分析可知，决定硬度的主要因素是合金设计 中碳的含量和最终组织中马氏体的体积分数。而碳含量的增加势必会 严重影响到焊接性能。因此，在低合金耐磨钢的硬度提高上，常常采 用在组织为全马氏体条件下来增加碳的含量，以达到在最大程度增加 硬度的同时尽量减少焊接性能损失的目的。表1 为RAL 与国内某钢厂 合作开发的低成本耐磨钢NM400 工业生产的力学性能情况。 该钢在合金设计上仅在普碳钢Q345 基础上添加极少量的Cr 和B 元素，并加以控制轧制和控制热处理工序。从表中可以看出，所生产 钢板的力学性能良好，性能指标达到了国标中NM450 的要求，在厚度 规格上最厚能够做到50mm。目前，该类低成本耐磨钢在该厂已经生产 至NM500 级别。 图1 为该类低成本耐磨钢的典型金相组织和冷弯照片。 从组织图上可以看出，该钢得到的组织为全马氏体组织，马氏体 板条间交叉排列且比较细小；冷弯满足90°冷弯不开裂的要求。 低成本耐磨钢的开发，能够在最大限度提高硬度的同时损失较小 的焊接性能，为部分工况条件冲击力不大，且腐蚀不严重的零部件使 用提供了便利。该类钢的开发，不但节约了合金资源，而且在低冲击 磨损性能和焊接性的提高上具有较大的优势，是一种很有前途的钢种。 3 高韧性型耐磨钢的研究与开发 对于部分严寒地带或需要较大弯曲的耐磨部件来说，良好韧塑性 与耐磨性同样重要，也直接影响到机械设备的使用寿命。此外，由上 述低合金耐磨钢的合金设计原理可知，在硬度相当条件下提高钢材的 韧塑性还有利于提高其耐磨性能。因此，高的韧塑性对于低合金耐磨 钢来说尤为重要。然而，在低合金耐磨钢钢铁材料中，为了保证足够 的耐磨性能，常常需要极高的硬度（HBW ≥ 330）和强度（Rm ≥