中碳低合金耐磨鋼的材料研究與應(yīng)用.pdf

1、為了提高生產(chǎn)效率和降低制造成本，鐵礦粉生產(chǎn)線(xiàn)關(guān)鍵裝備及其工作部件不斷大型化。其中，耐磨襯板是鐵礦粉生產(chǎn)線(xiàn)關(guān)鍵裝備——磨機(jī)的核心工作部件，其使用壽命直接影響整條鐵礦粉生產(chǎn)線(xiàn)的運(yùn)行效率和制造成本。然而，目前國(guó)內(nèi)尚未形成超大型磨機(jī)的自主選材規(guī)范，致使我國(guó)超大型鐵礦粉生產(chǎn)線(xiàn)項(xiàng)目的主要關(guān)鍵設(shè)備完全依賴(lài)進(jìn)口，造成項(xiàng)目成本和進(jìn)度受制于人。為了達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)使用壽命，大型耐磨部件選材在具有較高硬度和強(qiáng)度的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)具有優(yōu)異的韌性和塑性以及良好的淬透性。因

2、此，如何獲得良好的強(qiáng)韌性匹配以及淬透性，進(jìn)一步提高耐磨鋼的耐磨性能，一直是研究者非常關(guān)注的課題。本文通過(guò)Ti、B和RE多元微合金化處理，設(shè)計(jì)了一系列新型中碳低合金耐磨鋼，分析了Ti、B和RE對(duì)微觀(guān)組織演變的影響，系統(tǒng)研究了在凝固和熱處理過(guò)程中含Ti析出相和稀土夾雜物的類(lèi)型、尺寸和分布，及其對(duì)組織和力學(xué)性能的影響，探討了實(shí)驗(yàn)鋼的磨損機(jī)理以及Ti和RE微合金化、力學(xué)性能與耐磨性能之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，實(shí)現(xiàn)了自主設(shè)計(jì)中碳低合金

3、鋼耐磨襯板鑄件的批量化生產(chǎn)，為我國(guó)低合金耐磨鋼的材料開(kāi)發(fā)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為高品質(zhì)耐磨部件的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。本文的主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　(1)結(jié)合熱力學(xué)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，提出了Ti、B和RE多元微合金化思想:通過(guò)微量B提高淬透性;加入適量Ti與鋼中N結(jié)合，確保B對(duì)淬透性的作用，并且形成TiN析出相，細(xì)化組織;加入適量RE(La、Ce)，凈化鋼液、改善夾雜、細(xì)化晶粒。由此，設(shè)計(jì)了新型中碳低合金耐磨鋼合金體系。
　

4、　(2)采用熱膨脹儀測(cè)定了實(shí)驗(yàn)鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線(xiàn)，分析了Ti、B和RE多元微合金化對(duì)淬透性的影響。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)鋼中，單獨(dú)加入B元素時(shí)，B易與鋼中N結(jié)合，形成BN，嚴(yán)重削弱對(duì)淬透性的作用;并且，過(guò)量的B將促進(jìn)M23(C，B)6型碳化物沿晶界析出，反而降低鋼的淬透性。在此基礎(chǔ)上，加入適量的Ti元素，能夠有效固N(yùn)，形成TiN析出相，抑制BN的產(chǎn)生，有利于發(fā)揮B顯著提高淬透性的作用。然而，實(shí)驗(yàn)鋼中加入RE元素，主要與鋼液中O、S結(jié)

5、合形成RE2O3和RE2O2S稀土夾雜物，對(duì)鋼的淬透性基本沒(méi)有影響。
　　(3)通過(guò)固液兩相區(qū)保溫凝固和連續(xù)冷卻凝固實(shí)驗(yàn)，研究了實(shí)驗(yàn)鋼中TiN和稀土夾雜物的析出行為及其對(duì)凝固組織的影響。研究結(jié)果表明，等溫凝固和水淬冷卻后，實(shí)驗(yàn)鋼中的TiN和稀土夾雜物主要分布于凝固組織的粗大枝晶間、枝晶前沿和最后凝固的等軸晶晶界處，少量分布于凝固組織的粗大枝晶和等軸晶內(nèi)。低倍組織對(duì)比表明，加入Ti和RE元素，能夠顯著提高等軸晶比率，細(xì)化凝固組織。<

6、br>　　(4)系統(tǒng)研究了熱處理后實(shí)驗(yàn)鋼中含Ti析出相和稀土夾雜物的析出特征，并探討了Ti、RE含量對(duì)晶粒尺寸和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，隨著Ti含量增加，實(shí)驗(yàn)鋼中含Ti析出相顆粒尺寸增大、析出含量增多，析出相類(lèi)別逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒚准?jí)的Ti(C，N)和納米級(jí)的(Ti，Mo)(C，N)，具有明顯的彌散強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和韌塑性改善作用。當(dāng)Ti含量為0.021％時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼綜合力學(xué)性能最佳;隨著Ti含量進(jìn)一步增加，含Ti析出相在凝固初期形核并快速長(zhǎng)大

7、，導(dǎo)致析出相的顆粒尺寸和析出量明顯升高，嚴(yán)重降低鋼的沖擊韌性。單獨(dú)加入適量RE元素時(shí)，RE元素與鋼液中的O、S結(jié)合，生成絕大部分小于1μm的RE2O3和RE2O2S稀土夾雜物，有效起到凈化鋼液和變質(zhì)夾雜的作用，可以小幅提高鋼的沖擊韌性;但是，當(dāng)RE元素與Ti元素復(fù)合微合金化時(shí)，稀土夾雜物極易作為鋼中TiN的有效形核核心，促使TiN與其形成尺寸較大的微米級(jí)復(fù)合類(lèi)型析出相，造成沖擊韌性降低。
　　(5)利用MLD-10型動(dòng)載磨料磨損實(shí)

8、驗(yàn)機(jī)，探討了實(shí)驗(yàn)鋼在沖擊磨料磨損條件下的磨損機(jī)理，以及Ti和RE微合金化、力學(xué)性能與耐磨性能之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在沖擊磨料磨損條件下，實(shí)驗(yàn)鋼磨損表面，除少量的顯微切削磨損外，主要以塑性變形導(dǎo)致疲勞剝落磨損為主。在B微合金化基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)鋼中分別單獨(dú)加入適量的Ti和RE元素，能夠提高綜合力學(xué)性能，從而一定程度提升耐磨性能。但是，將RE元素加入Ti和B微合金化的實(shí)驗(yàn)鋼中，形成的粗大TiN-稀土夾雜物顆粒，在磨損過(guò)程中破碎，造成基體開(kāi)裂，