至德钢业抗磨耐热钢的耐磨性研究分析

 浙江至德钢业有限公司根据在高温氧化性气氛下磨料磨损的工况条件,合理设计了抗磨耐热钢材料的组织和化学成分。通过观察分析其金相组织,试样在铸态和900℃氧化后进行硬度和常温耐磨性试验,研究和分析了钛、钨元素对抗磨耐热钢组织、硬度和耐磨性的影响。结果表明:该材料的组织为奥氏体+少量铁素体+碳化物;材料的硬度和耐磨性不成正比;在钛、钨元素含量小于1%的范围以内,随着钛、钨元素含量的增加,抗磨耐热钢的硬度和耐磨性明显增加。

一、引言

 抗磨耐热钢广泛应用于冶金、电力、建材、化工等工业部门热工设备的高温金属构件,使用工况条件恶劣,应具有良好的高温抗氧化性、耐磨性和热强性。长期以来,为提高抗磨耐热钢的高温性能,同时降低其生产成本,主要通过多元合金化方法,以锰、氮等代镍,降低镍含量;采用表面处理技术,使抗磨耐热钢的耐热温度有较大提高,从原来的700℃～900℃提高到900℃～1200℃,从而大大拓展了应用领域。对耐磨材料耐磨性起重要作用的就是这种碳化物和基体的相互保护作用。不同类型碳化物硬度不同,它们在提高耐磨性中所起作用也不同。为此,研究抗磨耐热钢的耐磨性具有重要意义。

二、试样制备

 对各类热工设备抗磨耐热件的工况条件和失效分析表明,该类零部件的工况条件为:工作环境为高温(800℃～1200℃氧化性气氛和含硫气氛;高温物料的冲击、冲刷和磨损。其主要失效形式有:热塑变形、开裂、磨损、高温氧化及硫化腐蚀等,因此用于该零件的材料应具有如下性能:在高温下具备优良的抗氧化性和耐蚀性;在高温氧化性气氛及含硫气氛中,其组织和性能应具有较高的稳定性,良好的高温强度和抗蠕变性能;高温下具有较高的抗磨性。为满足上述工况条件和对材料的性能要求,将材料确定为铬镍系奥氏体耐热钢,组织设计为奥氏体+碳化物。材料的化学成分范围设计为:碳:0.3 0%～0.3 5%;铬:2 8%～3 0%;镍:8%～1 0%;硅:1.6 0%～2.0%;锰:1.0%～1.3%;氮:0.2 0%～2 5%;稀土:0.1%～0.5%;钨和钛:0%～1%。

 根据抗磨耐热钢化学成分设计和金属炉料的成分进行配料计算,本试验用50千瓦中频感应炉熔炼,水玻璃砂铸型。钢水在1600℃～1620℃出炉后快速浇注,浇注成Φ22 mm×120mm的圆柱形试棒。

三、试验及结果

 用线切割机截取厚度为10 mm的试样制备成金相试样,金相试样抛光后用王水溶液进行腐蚀,腐蚀时间约两分钟。试样的光学显微组织观察用金相显微镜,可以看出组织为:奥氏体+少量铁素体+碳化物。

 依据GB/T231-1984《金属布氏硬度试验方法》，用HBE-3000型布氏硬度计测试试样硬度，试样尺寸中22×10mm。在ML-100型磨料磨损试验机上进行磨料磨损试验，试样尺寸5×10mm，选取240#SiC金相砂纸作为磨粒材料，载荷1.5kg，径向进给量4mm/r，转速60r/min，磨损时间5分钟。用TG328B光电分析天平称量试样磨损前后的重量。每小时失重的倒数即为耐磨性。

 本试验对铸态和900℃氧化后的试样进行了硬度和耐磨性试验测试，其结果见表2所示：

四、试验结果分析

 抗磨耐热钢组织中的碳化物增加了材料在高温下的耐磨性，奥氏体使材料具有高的高温抗氧化性。由表可以看出：材料的硬度和耐磨性不成正比；在两种状态下都是试样3的耐磨性最好，试样2次之，试样1最差。

 硬度反应了材料抵御压入变形的能力，高硬度限制了磨粒的压入深度，因而可明显减少材料在磨损过程中的能量积累，减薄表层流变和切削磨损的厚度。所以，提高硬度是获得高耐磨性的重要条件。但硬度和耐磨性之间不是简单的线性关系，耐磨性不仅与硬度有关，还与成分组织以及碳化物的形态、数量和大小有关。合金元素的加入对抗磨耐热钢组织和性能有较大的影响。

 文献指出：一个高温耐磨性良好的合金组成体必须是具有良好化学稳定性的一定数量的碳化物硬质点与一个与之相匹配的基体所构成。在钢铁材料中，尤其是在磨料磨损条件下，碳化物的性质、数量、尺寸大小及分布等对耐磨性能的影响，有时比基体的作用还大。

 试样1、试样2和试样3的基体组织都是奥氏体，其区别就是试样2和试样3中添加了Ti和W元素，所以它们的耐磨性主要与碳化物硬质点有关。由于试样2和试样3中添加了Ti和W元素，Ti、W元素和C结合形成了TiC、WC硬质点，提高了碳化物的硬度。尤其TiC，具有很高的热稳定性，高硬度，面心立方结构，且晶格强度与晶格类型和奥氏体非常接近，所以能与奥氏体基体牢固结合，TiC弥散分布在奥氏体基体上，起弥散强化作用，提高基体的强度。毫无疑问，碳化物数量的增加、碳化物硬度的提高及基体强度的提高对耐磨性都是有贡献的。所以试样2和试样3的耐磨性都比1号有所提高。而试样3和试样2相比，加入的Ti、W元素多，所形成的碳化物数量多，对磨料的阻碍作用大。在一定磨损载荷作用下，磨面上碳化物相数量增加时，一方面会降低每个碳化物颗粒承受的磨损载荷，从而减少磨损，另一方面则使碳化物间的平均自由程度减小，因而会降低基体的磨损。所以试样3比试样2的耐磨性好。

五、结论

 1. 抗磨耐热钢的显微组织为：奥氏体+少量铁素体+碳化物。

 2. 材料的硬度和耐磨性不成正比。

 3. 钛、钨元素含量约1%的试样耐磨性最好，钛、钨元素含量约0.6%的试样耐磨性次之，不含钛、钨元素的试样耐磨性最差。