高強(qiáng)度耐磨稀土鋼的研制

王洪剛，胡小琳，紀(jì)云玲

（1.濟(jì)鋼集團(tuán)重工機(jī)械有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.中國重汽濟(jì)南動(dòng)力有限公司鑄造中心，山東 濟(jì)南 250101）

煉鐵高爐放渣沖渣槽、焦碳料斗襯板是高爐工作時(shí)的常用易損件，其工作環(huán)境非常惡劣。目前，國內(nèi)大多數(shù)煉鐵廠使用沖渣槽和料斗襯板的材質(zhì)為以下三種：HT200，16Mn，ZGMn13，使用效果一直不是很理想，尤其近年來，生鐵價(jià)格看漲，高爐冶煉強(qiáng)度增加，沖渣槽、焦碳料斗襯板的損壞頻率明顯加快，成為制約高爐高效生產(chǎn)的重要因素，開發(fā)一種高強(qiáng)度耐磨鋼成為一個(gè)擺在煉鐵廠面前迫切的課題。

1 高強(qiáng)度耐磨鋼成分的確定

1.1 高強(qiáng)度耐磨鋼需具備的特點(diǎn)

1）良好的耐磨性能，而且要有良好的韌性，這樣才能保證這種材質(zhì)不因脆性而斷裂，此外還必須有較高的硬度。

2）良好的焊接性能，可以確保此耐磨鋼件因各種因素出現(xiàn)裂紋等問題時(shí)，可以采用普通焊條通過常規(guī)的焊接手段進(jìn)行解決。

3）良好的加工性能，可以通過采用普通的刀具和常規(guī)的加工方式進(jìn)行加工，當(dāng)然，這要以保證材質(zhì)交貨時(shí)的最終硬度作為前提。

1.2 基體組織和合金元素及熱處理工藝的選擇與確定

1）作為抗磨用途的鋼需要有高的硬度和一定的韌性。有代表性的是馬氏體性抗磨鋼和高錳鋼[1]。鋼的硬度與成分和組織有密切關(guān)系，在抗磨鋼材質(zhì)的研制中，我們總希望獲得盡可能多的馬氏體，以提高其抗磨性能，獲取的手段無非是從化學(xué)成分的選擇和熱處理工藝控制兩方面入手。我們選擇基體組織為回火馬氏體。經(jīng)過低溫回火處理后形成的馬氏體不僅保持了原有的強(qiáng)度與硬度，而且又適當(dāng)提高了鋼的韌性。

2）馬氏體的含碳量增高，強(qiáng)度與硬度也增高，但是，當(dāng)馬氏體的含碳量過高時(shí)微觀形態(tài)呈現(xiàn)片狀，片狀馬氏體的塑性，韌性很差，低碳馬氏體在含碳量大于0.2%時(shí)，不僅強(qiáng)度、硬度較高，而且因?yàn)樾螒B(tài)呈現(xiàn)板狀而具有良好的塑性和韌性，因此我們將含碳量控制在0.25%～0.35%之間。

3）合金元素的加入：對(duì)于耐磨鋼，Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.3%左右時(shí)，Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.4%～1.7%時(shí)，Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.25%～0.75%，Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.70%～0.90%時(shí)，可以降低臨界冷卻速度，促使馬氏體的形成，并且，Ni、Cr、Mo的加入還可以提高回火的穩(wěn)定性，降低回火脆性。

4）稀土的加入：課題組在此次攻關(guān)中的一個(gè)重要突破就是將稀土應(yīng)用到了耐磨鋼材質(zhì)的研制當(dāng)中，稀土在耐磨鋼中有三大作用：

①凈化作用，稀土元素與鋼水中的氧和硫等有害元素有很強(qiáng)的親和力，形成穩(wěn)定的化合物經(jīng)鎮(zhèn)靜后上浮。稀土元素與鋼水中的氮和氧親和后形成稀土氣體夾雜，這些稀土氣體夾雜從鋼中排出，減少游離氮、氧的有害作用。

②變質(zhì)作用，稀土與鋼水中的硫化物形成球狀稀土硫化物，取代了原來的條狀硫化錳夾雜，稀土可以控制鋼中夾雜物的形態(tài)。從而提高了鋼材韌性和塑性，特別是抗沖擊韌性和抗疲勞性。

③微合金化作用，稀土在鋼中有一定的固熔量，它在晶界的偏聚能抑制硫、磷及低熔點(diǎn)雜夾在晶界的偏析，并與這些夾雜形成高熔點(diǎn)的化合物，消除了低熔點(diǎn)夾雜的有害影響，稀土凈化和強(qiáng)化了晶界，阻礙了晶間裂紋的形成和擴(kuò)展，有利于提高鋼材的塑性和耐腐蝕性。

從以上分析可以看出，稀土的加入，對(duì)研發(fā)的新材質(zhì)高強(qiáng)度耐磨鋼大有裨益，它凈化了鋼液，減少了有害元素的作用，提高了材料的抗疲勞性能，增加了材料的塑性和耐腐性能。

5）熱處理工藝：我們采取了空淬加低溫回火的熱處理工藝，空淬的作用是均勻耐磨鋼化學(xué)成分和組織，細(xì)化晶粒，消除因鑄造產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，在加熱到930℃左右時(shí)進(jìn)行保溫，經(jīng)過完全奧氏體化以后在空氣中進(jìn)行緩冷，以獲得近于平衡組織的基體。

低溫回火：將空淬后的耐磨鋼進(jìn)行低溫回火處理，即加熱到200℃～250℃后保溫然后空冷，其目的是獲得回火馬氏體，這樣得到的馬氏體是隱晶馬氏體，不僅提高了鋼的強(qiáng)度、硬度和良好的耐磨性能，消除了空淬可能產(chǎn)生的應(yīng)力和脆性而且又適當(dāng)提高了鋼的韌性。

2 耐磨稀土鋼的試制攻關(guān)

在合金成分確定以后，課題組對(duì)材質(zhì)進(jìn)行了反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)成分進(jìn)行了多次調(diào)整，最終確定了高強(qiáng)度耐磨稀土鋼的成分（如表1）、正確的熱處理工藝（如圖1）和理想的金相（如圖2）。

表1 高強(qiáng)度耐磨稀土鋼的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖1 熱處理工藝曲線

圖2 空淬加低溫回火后得到的隱晶馬氏體

3 高強(qiáng)度耐磨稀土鋼與高錳鋼的性能及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)比較

3.1 材質(zhì)技術(shù)性能指標(biāo)和參數(shù)

材料的技術(shù)性能如表2所示。

表2 技術(shù)性能指標(biāo)和參數(shù)比較

3.2 焊接性能

一般情況下，隨著含碳量和合金元素的增加鑄鋼件焊接性降低[2]。耐磨稀土鋼的碳當(dāng)量為：CE=C+0.167Mn+0.042Si+0.25Mo+0.066Ni+0.33Cr=0.59%，只為高錳鋼與灰鑄鐵的四分之一，焊接性明顯改善。

3.3 加工性能

課題組制作了加工后進(jìn)行回火處理的工藝，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，回火以前耐磨鋼的硬度HBS≤280，用常規(guī)的刀具完全可以實(shí)現(xiàn)加工，這樣我們就可以通過加工，保證裝配部位尺寸的準(zhǔn)確性，而210℃的加熱回火對(duì)鑄件引起很小的變形量。

4 推廣應(yīng)用前景

高強(qiáng)度耐磨稀土鋼成功研制，并被應(yīng)用于濟(jì)鋼第二煉鐵廠1#高爐上，使用至今已經(jīng)有16個(gè)月的時(shí)間，未發(fā)現(xiàn)有裂紋和嚴(yán)重磨損的現(xiàn)象，創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益。目前濟(jì)鋼高爐有幾十座，我國的高爐有上千座，其應(yīng)用前景是非常廣闊的。

5 結(jié)論

高強(qiáng)度耐磨稀土鋼作為一種新型耐磨鋼，它克服了高錳鋼脆性大、可焊性差、加工難度大、焊接困難的缺陷，避免了灰鐵和16Mn鋼硬度低，耐磨性差、脆性大、強(qiáng)度低等缺陷，解決了輝綠巖等存在的與本體結(jié)合很差，容易剝落和產(chǎn)生斷裂的問題。通過合理設(shè)計(jì)化學(xué)成分和正確制定熱處理工藝，高強(qiáng)度耐磨稀土鋼既具有良好的機(jī)械性能，又具有合適的鑄造性能和較好的焊接性能及可加工性，特別是稀土的加入，進(jìn)一步改善了材料的微觀組織，提高了韌性和抗疲勞性，高強(qiáng)度耐磨稀土鋼降低了耐磨鋼的制作成本，提高了制作工藝的可操作性，在國內(nèi)同行業(yè)中處于領(lǐng)先水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］叢勉.鑄造手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991：25-26.

［2］陳國楨，肖柯則，姜不居.鑄件缺陷和對(duì)策手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996：498-500.