鑄造耐磨低合金鋼的耐磨合金鋼是一類用于磨損工況的特殊性能鋼,其主要特征是在磨損條件下具有較高的強(qiáng)度、硬度韌性和耐磨性。嚴(yán)格地說,耐磨錳鋼也屬于耐磨合金鋼,考慮到國內(nèi)外耐磨材料行業(yè)常將耐磨錳鋼單列為一類。
一、耐磨合金鋼,耐磨合金鋼定義及分類
耐磨合金鋼應(yīng)用于有一定沖擊載荷的磨料磨損工礦條件,它是指為滿足特定的性能要求而有目的的加入其它元素的鋼材。如為提高強(qiáng)硬度、韌性淬透性及各項綜合性能指標(biāo)而加入的元素稱為合金元素。淬火的有鉻(Cr)、鎳(Ni)、鉬(Mo)、銅(Cu)、硅(Si)、錳(Mn)、釩(V)、鈦(Ti)、稀土(Re)、鎢(W)、硼(B)甚至有些有害元素在特定環(huán)境條件下為滿足特別需求,亦可稱為合金元素,如硫(S)、磷(P)等,耐磨合金鋼大致分為奧氏體錳鋼、中鉻鋼、低合金鋼和石墨鋼五大類,分別適用不同工礦條件。
二、耐磨低合金鋼定義,主要品種、性能及應(yīng)用
在耐磨合金鋼中,合金元素總量(Fe、C及有害元素和隱存元素)不得高于5%即稱為低合金鋼(5-10%為中合金鋼,10-15%為高錳鋼),低合金鋼的力學(xué)性能特別是硬度和韌性可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)整,可根據(jù)不同的使用條件,將強(qiáng)度、沖擊韌度和耐磨性能綜合考慮和匹配。只要不因脆性而引起斷裂,其耐磨性隨硬度的提高而增強(qiáng)。
通常低合金耐磨鋼以高強(qiáng)韌性、高硬韌性著稱。其強(qiáng)度和硬度高于耐磨錳鋼而在非大沖擊磨損工況可替代錳鋼;其塑、韌性高于耐磨鑄鐵,而在一定沖擊載荷的磨損工況,使用壽命高于耐磨鑄鐵。
耐磨剛加入合金元素的主要目的在于提高淬透性、強(qiáng)度、韌度和耐磨性。***常用的添加元素是Mo、Cr、Mn、Ni、和Si等。
耐磨低合金鋼的鑄造、焊接性能與其它低合金鋼相似,碳量高時焊接性能較差。低合金耐磨鋼,可按熱處理和含碳量分類。
1、水淬熱處理合金馬氏體耐磨鋼
W(C)=0.2%-0.35%的多元低合金鋼,經(jīng)水淬和回火處理,硬度高,耐磨性好,具有較好的強(qiáng)韌性配合,使用中不易變形和斷裂,廣泛應(yīng)用于挖掘機(jī)、裝載機(jī)及拖拉機(jī)的斗齒、履帶板,中小型顎板、板錘、錘頭,球磨機(jī)襯板等。
2、油淬、空淬熱處理低合金馬氏體耐磨鋼
W(C)>0.35%的多元低合金鋼,依不同的合金含量經(jīng)油淬(或空淬)熱處理并回火處理后,可得到強(qiáng)韌性較好、硬度高、耐磨性好的馬氏體鋼,用于球磨機(jī)襯板,中小型顎板、錘頭、板錘等。但這類鋼的韌度低于前述W(C)=0.20%-0.35%水淬熱處理的低合金馬氏體鋼,因此其應(yīng)用時必須考慮工況的沖擊載荷。
幾種油淬或空淬的高強(qiáng)度馬氏體鑄鋼的化學(xué)成本、硬度與特性見表4(略),力學(xué)性能見表5(略),國外典型的油淬高強(qiáng)度鉻鉬馬氏體耐磨鋼的化學(xué)成本見表6(略)。
3、正火熱處理低合金珠光體耐磨鋼
W(C)=0.55%-0.9%的高碳鉻錳鉬鋼,經(jīng)正火和回火熱處理可得到珠光體基體。鉻錳珠光體耐磨鋼具有好的韌度和抗沖擊疲勞性能,高的加工硬化能力;并因只含有較少的不昂貴的合金元素且不需經(jīng)過復(fù)雜的熱處理而具有較低的生產(chǎn)成本。
高碳鉻錳鉬珠光體耐磨鑄鋼用于一定沖擊載荷的磨料磨損工況,如E型磨煤機(jī)的空心魔球及球磨機(jī)襯板。較典型的牌號是ZG85Cr2MnMo, ≥800MPa, ≥500MPa, ≥1%。有代表性的高碳鉻錳鉬珠光體耐磨鑄鋼的化學(xué)成分與力學(xué)性能見表7(略)。
鉻鉬珠光體耐磨鋼襯板與高錳鋼、鉻鉬馬氏體耐磨鋼襯板在φ2.7m鉬礦球磨機(jī)中耐磨性對比試驗見表8(略)和表9(略)。從中可見鉻鉬珠光體耐磨鋼襯板的使用壽命高于高錳鋼,低于555-601HBW的鉻鉬馬氏體耐磨鋼襯板;即使珠光體鋼襯板硬度較低但使用壽命高于480℃回火的馬氏體耐磨鋼襯板。
4、耐磨碳鋼
碳鋼的耐磨性主要是借表面硬化而獲得的。W(C)>0.35%的碳鋼,通常采用表面感應(yīng)淬火或火焰淬火;低碳鋼則可用滲碳、滲氮或碳氮共滲等工藝提高耐磨性。隨著硬度的提高,其耐磨性也相應(yīng)增強(qiáng)。
在耐磨碳鋼中,W(C)=0.4%-0.70%的碳鋼占有重要地位,美國的鑄鋼火車輪就是用W(C)=0.4%-0.70%的碳鋼制造的。
5、鑄造石墨鋼是超高碳共析鋼,經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗?,一部分碳以石墨的形式析出,因而具有鑄鋼和鑄鐵的綜合性能。由于存在游離石墨,這種鋼是一種耐磨擦磨損的結(jié)構(gòu)材料?,F(xiàn)石墨鋼多用于制造冶金軋輥,如初軋或粗軋作業(yè)的軋輥,因為少量的石墨可以提高軋輥的抗熱裂性能和抗氧化鐵皮粘附性能。