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磨损是材料失效三大原因(磨损、腐蚀和断裂)之一,我国每年因摩擦磨损带来的经济损失约占GDP的4%。耐磨钢铁材料是物料挖掘、输送、破碎等装备核心构件制造的关键材料,其服役寿命低,损耗大,年消耗量达800万吨以上;耐磨件维修更换频繁,运行效率低,成为制约国家高端装备发展和重大战略工程实施的瓶颈。研发和应用高耐磨钢铁材料,是实现我国耐磨材料及装备高端化、绿色化发展的必由之路。
低合金马氏体耐磨钢具有成本低、工况适合使用的范围广且易于规模化生产的优势,是当前应用最普遍的耐磨钢类型。2014年之前,国内外的低合金耐磨钢均设计为单一马氏体组织,其耐磨性的高低主要根据马氏体的硬度,硬度越高,耐磨性就越好;与之相应,国内外耐磨钢有关标准也都以硬度来划分耐磨钢级别,如国标NM300~NM600等;而硬度则依赖于钢中的碳含量。然而,随着硬度和碳含量的增加,耐磨钢的切削、成型和焊接等加工性能变差,甚至无法加工和使用。如何在不增加硬度、保持良好加工性的前提下提高钢的耐磨性,是耐磨钢领域的重大技术难题。
项目基于装备高端化、绿色化和长寿化对高耐磨钢的迫切需求,针对传统耐磨钢的耐磨性与加工性不匹配的关键技术问题,提出在钢基体中引入TiC耐磨相,通过TiC颗粒阻止磨粒滑动的机制以提升耐磨性的新思路,在基础研究、关键技术、产品研究开发和应用技术方面开展12个专题的系统研究,最终实现工程化应用,如图1所示。之所以选择TiC为耐磨相,是因为与其它碳化物耐磨相(如NbC、VC、WC、Cr7C3等)相比,TiC具有硬度高、析出量大以及价格低的优势,是一种理想的耐磨相。
项目形成了集理论创新、技术创新、产品创新和评价创新于一体的系列成果,在四个方面实现了突破,如图2所示。
提出在钢基体中引入大量弥散分布的TiC颗粒以增强耐磨性的合金设计新思路,实现随TiC含量增加,钢的硬度基本保持不变,而耐磨性则逐步的提升,可大幅度提高50%以上,如图3所示。
图3 试验钢硬度和相对耐磨性与TiC质量分数的关系(a)及TiC颗粒增强型耐磨钢与传统耐磨钢相对耐磨性的对比
项目采用“高Ti 合金设计(0.3-0.6%)+铸坯原位内生TiC+热轧促使TiC均匀化“的制备方法,在钢基体中获得大量弥散分布的TiC颗粒,实现了新型耐磨钢低成本高效率制备。
发现高Ti耐磨钢中TiC粒子呈现出独特的“微米-亚微米-纳米”三峰分布特征(如图4所示),阐明了其分别对应于“凝固-铸坯冷却-热轧”三个析出阶段,建立了TiC三阶段析出理论。
明确TiC粒子提高耐磨性的作用机理:微米级粒子可有效阻止磨粒滑动,减少磨粒滑动距离;或者破碎磨粒、钝化磨粒尖角,减轻磨粒压入基体的深度,使犁沟深度显著变浅,如图5所示。这些微米级TiC颗粒自身硬度极高,可明显提高耐磨性,但由于尺寸较大,对基错运动阻碍作用较小,基本不增加钢的强度和硬度,以此来实现在不增加硬度的同时提高耐磨性。
图5 TiC粒子提高耐磨性的微观机理:(a,b,c) TiC阻止磨粒滑动;(d)TiC使磨痕变浅
开发了转炉冶炼全流程超低N控制技术,实现N含量不大于30ppm,有效抑制了TiN早期析出所导致的铸坯星形裂纹的问题。基于钢-渣反应规律研究,设计开发出低熔点、低碱度的高钛钢连铸专用保护渣,大幅度降低铸坯纵裂和横裂风险。集成超低N冶炼控制、新型保护渣设计以及连铸工艺优化等核心技术,国内外首次实现了Ti含量大于0.50%的高Ti耐磨钢无裂纹连铸批量生产。建立了多尺度TiC“连铸 热轧 热处理”全流程调控技术,实现了微米级TiC的均匀弥散分布,并利用纳米级TiC粒子阻止热处理淬火加热过程中的奥氏体晶粒长大,获得了原奥尺寸约6微米的超细晶马氏体组织,保证了材料的塑韧性。
为适应不同工况环境和耐磨部件加工要求,成功开发了以超细晶马氏体(UFG M)、马氏体+奥氏体复相(M+A)和铁素体(F/AF)为基体的三类高Ti高耐磨性钢板,使其相对耐磨性提高到相同硬度级别传统耐磨钢的1.5倍以上,并兼顾良好的加工性和冷成型性。
研究表明,传统碳当量计算公式不适用于高Ti耐磨钢,是因为高Ti耐磨钢TiC析出温度很高,在凝固过程中就会大部分析出,这些高温析出的TiC在焊接过程中基本不会固溶于基体,因此TiC所占用碳也就不会增加钢的淬硬性。据此,首次提出了高Ti耐磨钢“有效碳当量”概念及其计算公式:
煤炭行业是耐磨钢用量最大的行业之一,尚缺乏模拟实际工况的耐磨性评价方法。项目研制出全方位模拟煤炭采运工况环境的台架磨损试验装置,建立了耐磨性评价方法,不但有力支撑了本项目高耐磨钢的开发,而且为煤炭行业选材提供了有效的手段。
Hardox耐磨钢是瑞典SSAB公司生产的全球最著名的耐磨钢品牌,该产品采用增碳和增加基体硬度的方法提高耐磨性,导致耐磨性与加工性不匹配。而本项目通过高Ti合金设计和TiC颗粒阻断磨痕机制来增强耐磨性,相对耐磨性可达Hardox产品的1.52倍到2.09倍(煤矿实际检验测试结果);其原奥氏体晶粒尺寸约为6m,仅为常规耐磨钢的1/2~1/3。在同等耐磨性条件下,本项目钢的焊接预热温度较常规耐磨钢可大幅度降低80℃左右,同时具有较好的冷成型和切削性能。
项目首次实现了耐磨性比同级别常规耐磨钢提高50%以上的新一代耐磨钢的工业生产和工程应用,耐磨性达到国际最好水平,大幅延长了装备常规使用的寿命。以煤炭采运用耐磨钢为例,采用新一代高Ti耐磨钢制造的煤矿井下输送设备在大同塔山、神华神东、淮矿唐家会等国内重点煤矿进行了井下试验,新钢种表现出远优于进口Hardox钢板和高合金铸造耐磨材料的耐磨性,如表1所示。图8给出了高Ti耐磨钢板和对比材料在大同塔山煤矿(含矸率45%)和神华亿利黄玉川煤矿(含50%砂岩)实际磨损检测结果,可见新材料百万吨过煤磨损量较原使用材料减少1/3以上,使高矸石苛刻工况下输送设备过煤量从原先的500万吨左右提高到1300万吨以上,满足了我国千万吨级工作面的高产高效开采需求。
图8 新一代耐磨钢和对比材料在大同塔山煤矿(含矸率45%)和神华亿利黄玉川煤矿(含50%砂岩)时实际磨损量检测结果
项目产品已应用于煤炭机械、工程机械、港口机械、海洋疏浚等领域关键耐磨部件制造,为我国重大装备制造和一带一路等建设提供了支撑,经济效益显著。社会效益方面,项目突破了传统耐磨钢基于硬度的设计理念,推动了钢铁耐磨材料技术进步,具有重大的创新性和重要的学术价值;大幅度提高了所制造装备的常规使用的寿命,减少了装备维修次数和使用成本,间接经济效益显著;降低了钢材使用量,减少了资源、能源消耗和CO2排放量;提高了我国高端装备制造业的国际竞争力,推动了装备制造高端化和绿色化转型。
项目获得授权发明专利23件,实用新型专利2件,发表论文36篇,其中SCI收录25篇;修订耐磨钢国标1项,制订高Ti耐磨钢团标1项。中国金属学会组织的科技成果评价会,认为该项科技成果“总体达到国际领先水平”。
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