中碳低合金耐磨钢的材料研究与应用

摘要

为了提高生产效率和降低制造成本，铁矿粉生产线关键装备及其工作部件不断大型化。其中，耐磨衬板是铁矿粉生产线关键装备——磨机的核心工作部件，其使用寿命直接影响整条铁矿粉生产线的运行效率和制造成本。然而，目前国内尚未形成超大型磨机的自主选材规范，致使我国超大型铁矿粉生产线项目的主要关键设备完全依赖进口，造成项目成本和进度受制于人。为了达到预期设计使用寿命，大型耐磨部件选材在具有较高硬度和强度的同时，应当具有优异的韧性和塑性以及良好的淬透性。因此，如何获得良好的强韧性匹配以及淬透性，进一步提高耐磨钢的耐磨性能，一直是研究者非常关注的课题。本文通过Ti、B和RE多元微合金化处理，设计了一系列新型中碳低合金耐磨钢，分析了Ti、B和RE对微观组织演变的影响，系统研究了在凝固和热处理过程中含Ti析出相和稀土夹杂物的类型、尺寸和分布，及其对组织和力学性能的影响，探讨了实验钢的磨损机理以及Ti和RE微合金化、力学性能与耐磨性能之间的关系。在此基础上，结合生产实际，实现了自主设计中碳低合金钢耐磨衬板铸件的批量化生产，为我国低合金耐磨钢的材料开发积累了宝贵经验，同时也为高品质耐磨部件的应用奠定了坚实的理论基础。本文的主要研究内容包括:
　　(1)结合热力学计算和实验研究，提出了Ti、B和RE多元微合金化思想:通过微量B提高淬透性;加入适量Ti与钢中N结合，确保B对淬透性的作用，并且形成TiN析出相，细化组织;加入适量RE(La、Ce)，净化钢液、改善夹杂、细化晶粒。由此，设计了新型中碳低合金耐磨钢合金体系。
　　(2)采用热膨胀仪测定了实验钢的连续冷却转变(CCT)曲线，分析了Ti、B和RE多元微合金化对淬透性的影响。结果表明，实验钢中，单独加入B元素时，B易与钢中N结合，形成BN，严重削弱对淬透性的作用;并且，过量的B将促进M23(C，B)6型碳化物沿晶界析出，反而降低钢的淬透性。在此基础上，加入适量的Ti元素，能够有效固N，形成TiN析出相，抑制BN的产生，有利于发挥B显著提高淬透性的作用。然而，实验钢中加入RE元素，主要与钢液中O、S结合形成RE2O3和RE2O2S稀土夹杂物，对钢的淬透性基本没有影响。
　　(3)通过固液两相区保温凝固和连续冷却凝固实验，研究了实验钢中TiN和稀土夹杂物的析出行为及其对凝固组织的影响。研究结果表明，等温凝固和水淬冷却后，实验钢中的TiN和稀土夹杂物主要分布于凝固组织的粗大枝晶间、枝晶前沿和最后凝固的等轴晶晶界处，少量分布于凝固组织的粗大枝晶和等轴晶内。低倍组织对比表明，加入Ti和RE元素，能够显著提高等轴晶比率，细化凝固组织。
　　(4)系统研究了热处理后实验钢中含Ti析出相和稀土夹杂物的析出特征，并探讨了Ti、RE含量对晶粒尺寸和力学性能的影响。结果表明，随着Ti含量增加，实验钢中含Ti析出相颗粒尺寸增大、析出含量增多，析出相类别逐渐转变为微米级的Ti(C，N)和纳米级的(Ti，Mo)(C，N)，具有明显的弥散强化、细晶强化和韧塑性改善作用。当Ti含量为0.021％时，实验钢综合力学性能最佳;随着Ti含量进一步增加，含Ti析出相在凝固初期形核并快速长大，导致析出相的颗粒尺寸和析出量明显升高，严重降低钢的冲击韧性。单独加入适量RE元素时，RE元素与钢液中的O、S结合，生成绝大部分小于1μm的RE2O3和RE2O2S稀土夹杂物，有效起到净化钢液和变质夹杂的作用，可以小幅提高钢的冲击韧性;但是，当RE元素与Ti元素复合微合金化时，稀土夹杂物极易作为钢中TiN的有效形核核心，促使TiN与其形成尺寸较大的微米级复合类型析出相，造成冲击韧性降低。
　　(5)利用MLD-10型动载磨料磨损实验机，探讨了实验钢在冲击磨料磨损条件下的磨损机理，以及Ti和RE微合金化、力学性能与耐磨性能之间的关系。实验结果显示，在冲击磨料磨损条件下，实验钢磨损表面，除少量的显微切削磨损外，主要以塑性变形导致疲劳剥落磨损为主。在B微合金化基础上，实验钢中分别单独加入适量的Ti和RE元素，能够提高综合力学性能，从而一定程度提升耐磨性能。但是，将RE元素加入Ti和B微合金化的实验钢中，形成的粗大TiN-稀土夹杂物颗粒，在磨损过程中破碎，造成基体开裂，明显降低钢的耐磨性能。
　　(6)在上述材料研究基础上，结合实际工况，制定了大型耐磨衬板选材成分规范、性能指标和全流程生产工艺。并且，采用电弧炉(EAF)-精炼炉(LF)-真空处理(VOD)冶炼技术，通过控制Ti、B和RE加入顺序，实现了自主设计中碳低合金钢耐磨衬板铸件的批量化生产，并且已经基本替代进口。使用结果显示，自主研制的大型耐磨衬板服役寿命达到75天，现有进口服役寿命为65天，提高15.4％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 钢铁耐磨材料的发展

1．2．1 钢铁耐磨材料的分类

1．2．2 低合金耐磨钢的发展

1．2．3 低合金耐磨钢的应用

1．3 磨料磨损及其磨损机理

1．3．1 磨料磨损的概述

1．3．2 磨料磨损的模型

1．3．3 磨料磨损机理

1．4 低合金耐磨钢耐磨性能的影响因素

1．4．1 力学性能

1．4．2 组织类型

1．4．3 硬质析出相

1．5 低合金耐磨钢的合金设计

1．5．1 大型耐磨部件对低合金耐磨钢的性能要求

1．5．2 合金元素的作用

1．6 低合金耐磨钢的发展趋势

1．7 本文的研究目的和主要研究内容

第二章 中碳低合金耐磨钢的合金设计

2．1 引言

2．2 合金设计

2．2．1 合金设计思想

2．2．2 热力学计算

2．3 实验材料及方法

2．3．1 样品制备

2．3．2 CCT曲线测定

2．3．3 微观组织分析

2．4 连续冷却过程中的组织转变

2．4．1 连续冷却曲线

2．4．2 组织演化

2．4．3 冷却时间对硬度的影响

2．5 B、Ti和RE元素对过冷奥氏体连续冷却转变的影响

2．6 本章小结

第三章 Ti和RE对中碳低合金耐磨钢凝固组织的影响

3．1 引言

3．2 实验材料及方法

3．2．1 样品制备

3．2．2 凝固实验方案

3．2．3 凝固组织分析

3．3 热力学计算

3．4 合金的凝固特征

3．5 Ti和RE对凝固组织的影响

3．5．1 TiN析出相和稀土夹杂物的类型和分布

3．5．2 TiN和稀土夹杂物的异质形核作用

3．5．3 Ti和RE对二次枝晶臂间距的影响

3．5．4 Ti和RE对低倍凝固组织的影响

3．6 本章小结

第四章 Ti和RE对中碳低合金耐磨钢组织和性能的影响

4．1 引言

4．2 实验材料及方法

4．3 含Ti析出相和稀土夹杂物的特征

4．4 微观组织

4．5 力学性能

4．6 断口形貌

4．7 Ti和RE对热处理后组织和性能的影响

4．7．1 Ti和RE对含Ti析出相析出行为的影响

4．7．2 Ti和RE对晶粒尺寸的影响

4．7．3 Ti和RE对力学性能的影响

4．8 本章小结

第五章 中碳低合金耐磨钢的耐磨性能

5．1 引言

5．2 磨损实验材料及方法

5．2．1 实验材料

5．2．2 实验设备及参数

5．2．3 微观组织分析

5．3 磨损性能分析

5．3．1 Ti和RE对中碳低合金耐磨钢耐磨性能的影响

5．3．2 冲击磨料磨损试样表面形貌

5．3．3 冲击磨料磨损试样亚表层形貌

5．4 磨损机理分析

5．5 Ti、B和RE多元微合金化的成分讨论

5．6 本章小结

第六章 中碳低合金耐磨钢在大型耐磨衬板上的应用

6．1 引言

6．2 原有选材分析

6．3 性能指标与材料成分规范

6．4 热处理工艺参数的确定

6．5 大型耐磨衬板铸件的制备

6．6 产品性能评估

6．7 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果

作者简介