高耐磨度的钢铁材料成型加工技术研究.pdf

174管理及其他Management and other高耐磨度的钢铁材料成型加工技术研究何晓洁摘要：金属具有坚硬的质地和较好的耐磨性，被广泛应用于新型钢铁材料中。为降低材料堆积孔隙，本文提出一种在基体材料表面复合轧制Q235B碳钢的技术，延长复合材料的使用寿命，提高利用率。实验证明，本技术加工成型的材料，堆积孔隙率低于3.5%，满足高耐磨度要求。关键词：钢铁耐磨材料；复合轧制；成型加工钢铁材料具有良好的韧性和可加工性，耐磨强度高，环境相容性佳等优点，被广泛应用于国家建设和生产生活的创建发展中。中国钢铁行业产量的快速增长有力地推动了国民经济的稳步前进，同时，国内自主研发生产的高端钢铁材料的诞生也为钢铁工业的持续发展提供了有力支持。随着工业材料的更新以及需求的增加，各行各业对钢铁材料的性能也提出更高要求。耐磨钢铁材料大多以合金形式存在，较单一金属耐磨性更强。原理就是通过熔铸几种或多种金属，使其成为同时具备声、电、力、光、磁、化学功能的新材料，已经在医疗、航天、生物技术等领域得到广泛应用。根据原料不同，钢制耐磨材料耐磨合金钢系、硬质合金钢系、复合合金钢系、高锰合金钢系和抗磨铬铸铁系5种。发展到今天，钢铁耐磨材料仍是以铬铸铁系为主，缺点是成型加工工艺复杂，成本较高，对原材料的选择上较为苛刻，且在对整体结构设计上也有较多要求。传统工艺已经无法满足材料行业的新要求，因此本文提出了一种制备高耐磨性钢铁材料的成型加工新技术，为该行业的发展提供理论依据。1 磨损及耐磨材料1.1 磨损的定义材料失效共分为3种模式，分别是断裂、磨损、腐蚀。磨损的发生属于一种受化学、机械、物理、材料等多因素共同作用的复杂结果。Clagerski指出磨损是由于物体间摩擦结合力的反复扰动而导致材料破坏的一种有害现象；Shao将磨损定义为相对运动物体的工作表面由于机械作用、间歇性、伴有化学或电作用而产生的材料持续损失的现象。广义上，在各种介质的开放或封闭系统中，由于载荷的相互作用，物体间的相对运动产生的表面损失都称为磨损。一个零件的几何形状在一定时间内明显变小，致使正常功能的失去的磨损更具研究价值。磨损属于复杂的动态微观体系工程，很大程度上受材料成分、组织结构的内因影响，也受外部因素，如环境介质、界面温度、作用方式等的影响，因此，学术界对于磨损也有以下几种分类：根据表面接触性质的不同分为金属磨料磨损、金属金属磨损、金属液体磨损；根据环境和介质的不同分为干式磨损、温式磨损和液体磨损；根据磨损机理的不同分为磨料磨损、疲劳磨损、微动磨损、粘着磨损、冲击磨损、侵蚀磨损。由于磨损发生条件的复杂性和各部位零件实际工作中的运动程度，大多是多种机理并存所导致形成的磨损。因此，并不存在一种“通用的耐磨材料”，要根据具体工况和使用环境来选择适配度较高的耐磨材料。因磨损而引起的材料使用失效现象所引发的经济损失是巨大的。随着实体工业对耐磨材料性能需求的不断增加，学者们对钢铁耐磨材料的研究也在持续深入。1.2 金属耐磨材料的分类各类耐磨材料中，金属材料应用范围最广，分为耐磨钢、耐磨铸铁、有色金、硬质合金等多种，由于耐磨钢具有一定的耐磨性，并具有高强度和高韧性，所以被使用于多种磨损条件中。1882 年，英 国 冶 金 学 家 R.A.Hadfield 制 备 出 含Mn10%14%、C0.9%1.5%的高锰耐磨钢，被称为高锰钢，牌号为ZGMn13。普通高锰钢的机械性能评价集中在以下几方面：屈服轻度值392 441MPa，抗拉强 度 值 784MPa 794MPa，延 伸 率 40%80%，收 缩率40%60%，冲击韧性196J/cm2 294J/cm2，硬度值180 240。高锰钢常用于各种用钢重工业，如矿山冶金、电力、煤炭和建筑等。合金含量低于5%的称为低合金钢，6%8%之间的称为中合金钢，8%以上的统称为高合金钢。市售合金钢主要以Mn、Si、Cr、Mo、Ni、B、V等元素组成，且以中低合金耐磨钢应用前景最好，销量最佳。同时具备硬度高、韧性好、耐磨损、淬透性好、生产灵活、加工方便、成本低等优点。我国工业上常用的耐磨钢为45Mn2合金钢，ZG30Cr2MnSiMoTi铸钢，GCr15高碳铬轴承钢，50CrMn175管理及其他Management and other中铬锰弹簧钢等。1.3 高强度耐磨钢铁的定义高强度耐磨钢是由高强度低合金钢经多步加工改进而成，含有 1%3%的合金元素，如 Mn、Si、Cr、Mo、Ni、V、Ti、B、Re等。研究发现，C影响组织结构和机械性能，是所有元素中最能经济高效地提高耐磨钢硬度的组成。其中抗拉强度、硬度和屈服强度系数与材料中碳含量的数值成正比。合金元素的加入能够使整体材料的硬度得到提高，韧性加强。其中，Mn可以提高材料淬透性、强度和耐磨性，且矿产资源丰富，价廉易得。Si在冶炼时发生脱氧反应，能够提高马氏体耐磨钢的回火稳定性。Cr和Mo能够提高材料的渗透性、机械强度、硬度和耐磨性，但价格昂贵，因此在实际应用时掺杂量极低。所以，高耐磨性能的钢材料要有较高的强度、硬度、韧性和较长的使用寿命，且工艺简单。高强度耐磨钢已广泛用在工程机械、煤炭开采、建筑材料、铁路运输等多个领域，可以满足恶劣环境下强度在1000MPa以上工作的大型工程机械设备的要求。截至今日，国外高强度耐磨钢主要是瑞钢青龙的HARDOX系列、日本JFE公司生产的EH系列和德国蒂森公司生产的XAR系列为主。高强度耐磨钢在中国也取得很大的发展和进步，如武钢和鞍钢生产的NM系列和B-HARD系列，强度高达HB500。以国内常见的HM400为例，其化学成分的质量分数为：C：0.26%，Si：0.70%，Mn：1.60%，Cr：1.40%，Mo：0.50%，Ni：1.00%，B：0.006%，Ti：0.05%，P：0.025%，S：0.01%。1.4 影响钢材料强度的因素研究发现，影响多金属复合轧制结合强度的因素有：复合金属的表面处理；轧制温度；轧制压下率；退火处理。通过物理和化学协同作用处理接触界面，形成具有优良性能的多金属复合材料。通过表面处理促进不同金属间的物理接触程度，从而在轧制时实现较好的界面结合效果。因此，在轧制复合之前需要对多金属表面进行处理，增加材料强度值。文献中已经报道过多种界面处理方式，如先使用一定浓度的酸来洗刷材料表面，然后用钢丝刷和砂纸进一步打磨清洗，使其洁净无杂质。1.5 高耐磨钢铁材料的发展现状和重要战略地位我国拥有960万平方千米国土面积，占据全世界土地总面积的7.2%，其中世界50%的钢材由我国制造，但原料铁矿石的对外依存度大于87%，合金大多数都依赖进口；能源方面，钢铁材料占我国工业总耗能的1/10，吨钢能耗比世界平均高出10%15%；环境方面，生产吨钢所排放的CO2量比世界先进水平国家还要高出20%，直接排放的12%烟尘中富含雾霾小颗粒，但对国民GDP的贡献仅为7%。目前，国内使用的多数工艺技术以及生产设备很大限度上依然依靠引进或仿制，缺乏自主创新，无法渗透的核心技术也给资源、能源、环境方面带来巨大压力。因此，绿色化的工艺创新，高效率的节能减排，环境友好型的钢铁制备新工艺迫在眉睫。同时，钢铁行业也是实现智能化需求最强的行业。以创新驱动发展，推进装备智能化，实现信息深度感知，完成智能转变也成为钢铁材料新时代的发展目标。2 实验设计与结果讨论2.1 实验研究方案工厂炼钢工艺主要分为：从原料进厂，第一步为炼铁、炼钢、连铸，然后经过热轧、冷轧后，再进行热处理，最后再在材料表面进行涂镀，就得到了可以使用的钢铁材料。其中热轧+冷轧成型是钢铁材料耐磨度的重要环节。因此，本文将主要对此工段进行实验研究。2.2 基体材料的选择钢制耐磨基体材料的选择严重影响着铸件整体的机械性能，固定和强化铸件表面的支撑和载荷传递，同时也对铸件表层起到保护和支撑作用。考虑到韧性、高温流动性和耐磨性等多个维度系数的限制要求，本研究选择高铬铸铁作为基体材料，其成分为：铁（Fe）：16.65，锌（Zn）：0.75，锰（Mn）：0.95，铜（Cu）：8.35，磷（P）：0.07，钼（Mo）：0.40，铬（Cr）：18.35，硫（S）：0.03，碳（C）：3.55。2.3 实验过程第一步：制备2525150mm3实心长条模具。首先选一种与基体材料润湿性相容良好的镍基合金，对其镀镍。然后使用高温粘结剂将其混合均匀后填充到已制备完好的模具中。最后固化成型，预制块体完成。第 二 步：熔 炼。为 保 证 材 料 成 型 后 的 硬 度、韧性 和 耐 磨 性，熔 炼 过 程 中 需 要 控 制 几 种 元 素 含 量数 值。其 中，Fe 的 含 量 大 于 等 于 14.55wt%，Cr 的 含量 控 制 在 16.45wt%17.55wt%范 围 内，C 的 含 量在 2.95wt%3.05wt%之 间。在 1250 1350 下 熔 化 15min。将 熔 化 后 的 合 金 液 倒 入 预 制 体 中，1450 1530浇注。合金液浇注深度控制在22mm左右，5min后，将预制体沿延长方向从中间断开，避免基材再次熔化。第三步：固定成形。将预制体放入35 55的温水中冷却15min。当水温达到500 550时，将预制体从水中取出，放入到0 10的水中继续冷却，当铸件176管理及其他Management and other的温度达到150时，再次取出放入0左右的冷水中进行最后的固定。2h后将预制体从水中取出，并敲击一段时间，得到基体材料。第四步：复合。选取厚度10mm，宽度均为30mm的Q235B碳钢数块，同时将浇筑好的基体材料裁出数块厚度3mm，宽度均为30mm。对2种试样的表面依次进行酸洗、脱脂，再经过多次机械打磨直至完全露出新鲜金属后，叠合2块不同试样并用外力夹紧，采用钨极氩弧焊接将2块材料四周焊合在一起，制成复合坯，进行实验分析。2.4 复合质量的宏观检测及复合层的结合界面分析表面复合层与基体材料具有良好的结合强度，在进行铸件清理和磨削加工过程中，并没有发现复合层脱落，且能经受住一定强度的连续敲击，判断出复合钢板具有良好的结合强度及成型性能。整个界面结合良好，无开裂现象，且弯曲性能良好。用洛氏硬度计对复合材料进行硬度测试，选定一块材料，分别选取6个点进行硬度值的测定，其数值分别为63.5、63.3、64.0、63.4、63.5、63.2，取平均值为63.48，硬度差为0.8。该结果表明复合材料具有较高的铸态硬度。在表面复合层内，硬度的变化范围很小，而在表面复合层与基体材料界面的两侧，硬度表现出较为明显的变化，分析为基体合金一侧材料的硬度急剧降低所致。2.5 钢板厚度变化及分析基体材料与Q235B碳钢在轧制复合前的厚度比为3：10，轧制后，对其厚度进行测量并对比前后数值，发现轧后厚度与初始厚度比相差不大，均在3：10左右，推测其主要因为轧制前就已经将两种板材焊合在一起，且焊缝较为牢固，轧后没有出现开裂现象。2.6 钢板结合强度影响因素分析轧制温度对复合界面组织性能的影响：基体材料与Q235B碳钢在热轧复合时，界面中的新鲜金属会与空气中O2氧化生成氧化膜，在塑性变形过程中氧化膜破裂再生，影响基体材料与Q235B碳钢的变形抗力和结合率。本次实验分别进行了1000、1100、1200轧制温度实验，同时记录下各试样情况，通过对数据的整合可知，在足够压下率下，随着轧制温度的升高，复合板界面处缺陷的数目及尺寸都在减小，因此1200为此实验条件下两钢种结合的最佳温度。压下率对复合界面组织性能的影响：在热轧制时，复合坯料处于轧机的两个轧辊之间，受到来自复合界面垂直方向的压力和平行方向的摩擦剪应力。在高温和压力共同作用下，界面氧化膜被打破，复合坯料的厚度不断变小。在轧机下，一定的轧制变形能够完全消除氧化膜。同时，材料的凹陷率也影响着金属轧制的复合效果。2.7 界面杂质对轧制强度的影响分析基体材料和Q235B碳钢在经过特定机械打磨抛光后，金属表面会生成一层薄薄的硬化层以及氧化膜，显示出异质性现象。加热保温时，表面的残氧和氧化铁在高温下分解出氧原子，在界面两侧形成氧浓度梯度，金属复合坯料中基体材料与Q235B碳钢中的Si、Mn等喜氧元素，在经过氧含量浓度梯度的变化和高活化能的共同作用之下，迅速发生扩散与周围的氧原子反应生成氧化物，如氧化硅、氧化锰等。热轧时，复合坯料进入轧机，受垂直方向的压力和平行方向的摩擦剪切应力的同时作用，厚度不断减小。当轧制温度较低、压力数值较小时，一些尺寸小的氧化夹杂物会在外力的作用下而被挤压结合，一段时间后尺寸增长，变为体积较大的夹杂物。随着热轧过程的继续进行，轧制温度和压力率不断增大，金属接触界面上的氧化膜随着界面的变形而被打破，数量开始减少，尺寸也越来越小，最终在结合界面上形成有效的机械结合。2.8 孔隙率分析评判钢铁耐磨材料成形加工技术是否成功的一个重要参数就是加工固型后材料的堆积孔隙率数值，合格的钢铁耐磨材料的整体堆积孔隙率应该3.5%，如若数值大于3.5%，说明所制备的耐磨材料在硬度、韧性以及耐磨性能上均不合格。以上述工艺制备的复合钢铁材料作为实验对象，使用加工设备型号为KIB-006的中频感应电炉测定其数值，均小于3.5%，达到钢铁耐磨材料所规定的堆积孔隙率的标准，证明本实验设计的技术方法可行。3 结论与展望本文在针对钢铁耐磨材料成型加工技术的研究上，开发出一种在基体材料表面复合轧制Q235B碳钢的方法，经过测试后发现能够有效加强材料的整体耐磨性，有助于延长使用寿命，提高利用率。本论文所使用的方法具有一定借鉴性，可以应用在金属复合富碳材料制备钢铁耐磨材料的成型加工中，具有一定意义。（作者单位：铜陵有色金神耐磨材料有限责任公司）