微合金贝氏体抗磨钢的研究综述

安徽工业大学硕士学位论文正交法设计微合金贝氏体抗魔钢的成分及性能（袁中涛20100110）摘要：本文主要论述了微合金贝氏体抗磨钢的开发思路、组织、成分、以及相关的性能和作用,并运用政教方法进行成分设计和性能检测方案设计。用金属类生态环境材料的研究思路，设计抗磨钢材料成分，确定其产品制备工艺，将微合金化理论与控铸控冷工艺相结合，即能获得贝氏体、马氏体和残余奥氏体基体组织。不仅可减少资源和能源消耗，提高金属材料的循环再生利用率，有效合理地利用地球上的富有资源，保持资源平衡，而且使产品的制造工艺及设备简单，易于操作控制，为成功地生产成本低廉、综合性能优良的新型微合金贝氏体抗磨钢件提供了有实用价值的理论及数据。关键词：微合金贝氏体抗磨钢正交方法引言随着我国经济的不断发展，城市化进程的持续推进，微合金贝氏体抗磨钢在国民经济中得到迅速发展和推广应用，想过的研究也得到高速的发展。目前我国微合金贝氏体抗磨钢生产企业众多，产品已形成系列化。由于我国从技术上起步比较晚，与国外相比还存在一定的差距，因此开发研制高性能的国产微合金贝氏体抗磨钢替代进口配件，使产品国产化已成为发展的必然趋势。采用传统技术生产传统金属抗磨材料已不能适应目前的发展要求，应用高技术去改造传统金属抗磨材料成为一新兴举措。本文研究在中高碳钢成分基础上加入少量或微量提高淬透性的金属元素，应用微合金化及控铸控冷工艺而研制铸态贝氏体和马氏体双相组织抗磨钢件。其中微合金化是指在基本化学成分（普通或低合金钢）中添加微量（不大于0.2%）的合金元素，从而使钢铁材料的一种或几种性能具有明显提高的工艺技术，经过此法处理的钢称为微合金钢。文中研究的金属抗磨材料就是在低合金抗磨钢经微合金化处理后所得的新型抗磨钢。它与已有的微合金钢，抗磨钢和贝氏体钢等材料及制造技术有很多不同点，所以在此将其命名为“微合金贝氏体抗磨钢”。长期以来微合金贝氏体抗磨钢广泛应用在水泥、选矿、发电、耐火材料、陶瓷等业用以制造承受较大冲击并要求耐磨的零件，如：拖拉机履带板、破碎机颚板、球磨机衬板、破碎机板锤等。微合金贝氏体抗磨钢的耐磨性好，韧性较高，但存在的问题是对原材料的要求极为严格，需要加入大量的锰合金元素，生产成本很高。热处理温度和淬火液的温度要求严格，水韧处理不易控制，导致产品质量不稳定。因此，研究耐磨性好冲击韧度高生产成本低的高锰钢替代材料具有重要意义。安徽工业大学硕士学位论文1.微合金贝氏体抗磨钢新材料的开发思路采用微合金化技术，即在碳素钢中添加微量的合金元素，通过优化成分结构和适当的热处理工艺挖掘材料的潜力，从而获得易于制备、耐磨性和韧性俱佳的材料。我国生产的普通铸造低合金钢主要品种有Mn系、Mn-Si系、Cr系等。单元锰钢的最大特点是淬透性好、价格便宜。但它在热处理过程中存在热敏感性大，易产生回火脆性和Mn元素偏析等问题。多元Mn钢克服了单元Mn钢的缺点，如Mn-Si系钢可获得更好的性能。本文研究以Mn-Si系钢为基础，适当加入少量或微量：Cr、Ti、B、Nb等合金元素。为保证材料的硬度和韧性，则采用淬火加回火热处理工艺。在成分设计时主要考虑了两个因素：一是尽量减少珠光体，获得以马氏体为主以及少量碳化物的基体组织；二是尽可能地降低成本。2.运用正交方法进行成分设计依据Si-Mn系列刚的成分特点，抗磨钢的主要元素添加范围为：0.35%~0.55%的C，0.55~1.30的Si，1.10%~1.30%Mn。铬：是强烈形成碳化物的合金元素它将降低共晶碳量，防止粗大初生碳化物的产生，保证碳化物形成高硬度的孤立状的（Cr·Fe）3C型理想抗磨相。选择好适宜的Cr/C值是十分重要的。同时，铬有一小部分溶解在奥氏体中，起到强化基体、增加合金淬透性的作用。综合以上考虑将铬量确定为0.2%~0.4%。钛：是常用的细化晶粒元素，钛能细化奥氏体枝晶，促进渗碳体断网，提高合金的冲击韧性和抗磨性。钛在显微组织中主要以TiC的形式存在，钛化合物的硬度极高，可以改善钢铁材料的力学性能和抗磨性，将Ti含量定为0.01%~0.03%。硼：B是强烈稳定奥氏体的合金元素,可替代Ni、Cr、Mo等贵金属，显著提高钢淬透性，固溶在钢中的B为0.001%~0.003%时，提高淬透性最明显，含B量超过0.005%时，韧性降低，所以应该严格控制钢中的含B量。铌：Nb作为一种细化晶粒的合金元素在钢中早已得到应用，属于强碳化物形成元素，它与碳的亲和力高于铁和铬，更易形成一种简单立方点阵的化合物，能较大幅度地提高材料的耐磨性。此外Nb还可微溶于奥氏体基体中，有稳定奥氏体作用，含铌量对共晶碳化物形态有影响。Nb含量低时，恶化共晶碳化物形态；提高Nb含量时，出现独立的铌碳化合物后，共晶碳化物形态好转，确定铌的含量为0.1%~0.5%[1]。为了获得强韧马氏体基体组织、必须提高合金的淬透性，加入V、Ni、Nb等元素是十分有效的途径。安徽工业大学硕士学位论文采用L9（34）正交试验优化合金的成分[2]，因素水平如表1所示试验方案如表2所示。3.微合金贝氏体抗磨钢的金相组织微合金贝氏体抗磨钢在铸态下不能承受任何的机械冲击，在通常生产中，对一般的低合金钢铸件，常采取完全退火热处理工艺。以消除应力和细化组织[3]。对要求以耐磨性为主的铸件，则在采取完全退火热处理工艺后，完成机械加工，再进行淬火加回火的热处理工艺，以获得回火马氏体组织提高合金硬度。安徽工业大学硕士学位论文采用控铸控冷工艺处理后，铸件的硬度可达到HRC50以上，铸态冲击韧度可达10J/cm2以上，显微组织为贝氏体+马氏体+残余奥氏体组织。相关研究标明，组织中的贝氏体呈针状，分布均匀，彼此呈一定角度，并且由于贝氏体先于马氏体形成，这样贝氏体分割了奥氏体区,使马氏体转变受到限制，在比原奥氏体晶粒细得多的范围内进行，这样，马氏体得到细化，因而使马氏体的强度提高。同时，马氏体转变的体积膨胀给予贝氏体巨大的压应力，使之产生相硬化而提高其强度，就使得贝氏体/马氏体复相组织具有优异的强度和韧性的配合[4,5]。4.微合金贝氏体抗磨钢的性能4.1微合金贝氏体抗磨钢的力学性能微合金贝氏体抗磨钢的硬度在HRC50以上，冲击韧性在10~20J/cm2之间，抗拉强度普遍在320~450MPa之间，并且多数高于350MPa，抗弯强度在1000MPa以上。微量元素对材料性能的影响主要是微合金化作用,主要表现在提高淬透性、细化晶粒、纯洁钢液、排除非金属夹杂物或改善其形态,同时还可与钢中其它合金元素的相互作用以消除或减轻有害元素的不利影响。4.2微合金贝氏体抗磨钢热加工工艺性能微合金贝氏体抗磨钢流动性实验的浇注温度为1539℃，其螺旋线长度高达700mm以上，而同等级普通碳钢螺旋线长度只有，200m左右，因此，其流动性是同等级普通碳钢的3~4倍。在1556℃浇注时，其自由线收缩率为2.27%，缩孔率为,4.19%，体收缩率为9.88%，均较同等级钢液的自由线收缩率、缩孔率及体收缩率小[6]。这些性能的改善都是因为稀土净化钢液、去气、消除杂质的有利作用而引起的。据有关研究试验结果证明[7]：微合金贝氏体抗磨钢与低碳钢异种金属焊接复合能获得可靠的焊接接头质量，能满足不受冲击载荷高抗磨料磨损件的使用要求。可见微合金贝氏体抗磨钢的焊接性较好，这可能是微合金元素有益作用所致。在研究中采用铸造与热处理合二为一的控铸控冷新工艺试验证明，微合金贝氏体抗磨钢中有很多少量或微量提高淬透性及淬硬性合金元素，因此其热处理工艺性良好。5.微合金贝氏体抗磨钢的主要应用目前微合金抗磨钢主要应用于混凝土搅拌机的抗磨配件，如衬板、叶片、刮板等，但从它的性能分析，我们不难看出微合金抗磨钢作为一种新型金属抗磨材料，具有广泛安徽工业大学硕士学位论文的应用前景。下一步我们准备将微合金抗磨钢应用于矿山、粉碎、建材等机械,制作锤头、磨球等抗磨配件。微合金贝氏体抗磨钢具有高的加工硬化能力和高的韧性[8]，但起始硬度低，只有在高冲击负荷条件下才能充分发挥耐磨性，且屈服强度低，容易变形[9]。耐磨铸铁主要有低铬铸铁和高铬铸铁。由于镍的价格高，镍硬铸铁在国内很少采用。低铬白口铸铁由于存在大量的网状碳化物，造成韧性较低，更适用于基本无冲击的磨损场合。高铬铸铁被国内外公认为有优异的耐磨性，可用于有一定冲击的磨损工况，但合金含量高，生产成本高，高温热处理易变形和开裂，且在湿磨工况下腐蚀较为严重[10]。低合金贝氏体铸钢由于合金元素含量较低，具有高硬度、高耐磨和良好的韧性配合，工艺简单，成本低廉，获得了广泛应用，成为近年来发展的热点。6.结语新型微合金贝氏体抗磨铸钢具有良好的淬透性，工艺简单，回火稳定性好，具有高硬度、优良的耐磨性能和良好的强韧性配合，且成本低廉，已在耐磨领域获得广泛应用，创造了巨大的经济效益。另外，把添加合金元素的特种铸造工艺应用于贝氏体耐磨铸钢，进一步提高性能，简化工艺，降低成本，减少污染，是一个重要的发展方向。安徽工业大学硕士学位论文参考文献[1]时还芳.高碳低合金耐磨钢锤头的研制[J]铸造,2002,(2):103~105.[2]高允彦,正交回归试验设计方法[M].北京:冶金工业出版社,1988.[3]李隆盛,铸钢及其熔炼[M].北京:机械工业出版社,1981.[4]郑世安.钢中M/B下复合组织的强韧化和应用[J].热加工工艺,1990,(2):37~45.[5]蒋业华,周荣.控制冷却获得贝氏体/马氏体耐磨钢[J].铸造,1998,47(11):22~24.[6]蔡擎.微合金抗磨钢机理及性能研究[D].四川工业学院硕士论文,2001.[7]王艳.新型抗磨铸钢与20钢的焊接特性及机理研究[D].四川大学硕士论文,20001.[8]任耀剑,江利.耐磨材料的研究及进展[J].矿山机械,2005,33(6)173—76.[9]王志华,刘金海,郝晓燕,等.耐磨铸钢强韧性的研究进展[J].新技术新工艺.2002,(2):30~32.[10]李茂林.我国金属耐磨材料的发展和应用[J].铸造,2002,51(9):525~529.