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解決方案

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1  國內外發展現狀及發展趨勢

1.1  國內發展現狀及發展趨勢

磨損是材料三大失效方式之一。材料磨損以磨料磨損最為嚴重,本規劃所述的鑄造耐磨材料及耐磨鋼鐵鑄件主要指用于磨料磨損工況的材料和零部件。

現已構成技術系列并已工程化和產業化的鑄造耐磨材料及其技術分為以下5大類:

(1)奧氏體錳鋼(含Mn13鋼系列、Mn17鋼系列、Mn25鋼和Mn7鋼系列);

(2)耐磨損白口鑄鐵(含高鉻、中鉻、低鉻白口鑄鐵系列);

(3)非錳系耐磨損合金鋼(奧氏體錳鋼之外的耐磨合金鋼);

(4)耐磨損球墨鑄鐵;

(5)耐磨損鋼鐵復合材料。

1.1.1  鑄造鋼鐵耐磨材料

(1)奧氏體錳鋼。目前奧氏體錳鋼還是國內外用量最大的一類耐磨鋼,以Mn13系列和Mn17系列為主。控制P、Si、O、H含量是錳鋼件生產的關鍵技術;另外為減少鑄造高錳鋼晶粒易粗大和柱狀晶現象,V、Ti、Nb、B和RE等微量元素常被加入高錳鋼。

(2)耐磨損白口鑄鐵。耐磨白口鑄鐵的主要特點是高硬度和低韌性。Cr15、Cr20和Cr26系列高鉻耐磨鑄鐵在國內外均已大批量生產和應用。我國又研發了中鉻硅耐磨鑄鐵和適于鑄態應用的低鉻耐磨鑄鐵,并已批量生產和工業應用。澳大利亞研發出高硬度高碳高鉻過共晶耐磨鑄鐵材料。

(3)非錳系耐磨損合金鋼。非錳系耐磨合金鋼以硬度較高、韌性較高和強度較高,特別是硬韌性匹配良好為特點。

(4)耐磨損球墨鑄鐵。我國等溫淬火含碳化物球墨鑄鐵(CADI),含有少量碳化物形成元素Cr,具有較高硬度、一定韌性和良好加工硬化特性,研發工作已取得階段成果。

(5)耐磨損鋼鐵復合材料。比利時MAGOTTEAUX公司先后研制出“Bimetal”、“Duocast”、“Xwin”耐磨復合材料技術,用于磨輥和磨盤生產和應用,效果良好。我國雙液雙金屬材料、鑲鑄復合材料實現了工業化生產和應用。陶瓷顆粒增強鋼鐵基耐磨復合材料是近年國內外研發的熱點之一。

1.1.2  鑄造鋼鐵耐磨材料工藝技術

近年我國研制出磨球和磨段機械化和自動化生產線。研發和應用金屬型或覆砂金屬型,是提高耐磨件質量的較好方式之一。

1.2  國外發展現狀及發展趨勢

1.2.1  奧氏體錳鋼

目前奧氏體錳鋼還是國外用量最大的一類耐磨鋼。國外生產和應用的奧氏體錳鋼也是以Mn13系列和Mn17系列為主,其中屈服強度和耐磨性較高的Mn13Cr2和Mn17Cr2耐磨鋼的市場用量較大。國外迄今在大沖擊載荷磨料磨損工況,如圓錐式破碎機軋臼壁和破碎壁、旋回式破碎機襯板、電鏟鏟齒、大中型顎式破碎機顎板、大型錘式破碎機錘頭以及大中型濕式礦山球磨機襯板等仍主要選用奧氏體錳鋼。奧氏體錳鋼的標準化工作起步較早,在主要工業發達國家均有了國家標準(或相當于國標標準),1999年國際標準化組織發布《奧氏體錳鋼鑄件》(ISO13521:1999)國際標準。其中標準含碳量的ZG120Mn17、ZG120Mn17Cr2還被列入了奧氏體錳鋼鑄件國際標準。工業發達國家生產高錳鋼件時比較重視冶煉過程,其冶金質量較好。

1.2.2  耐磨損白口鑄鐵

目前國外渣漿泵過流件、反擊破板錘等仍主要選用耐磨白口鑄鐵。Cr15、Cr20和Cr26系列高鉻耐磨鑄鐵在國外均已大批量生產和應用。耐磨損白口鑄鐵的標準化工作起步較早,現有ISO國際標準,在主要工業發達國家均有了國家標準(或相當于國標標準)。

低碳含量(1.1%~2.0%C)的Cr12高鉻鑄鐵,淬火回火后硬度≥HRC50,具有較好的韌性,近些年在國外生產和應用逐漸增多。近年高硬度過共晶高鉻鑄鐵研發與應用取得進展,澳大利亞沃曼公司制造的A217高碳高鉻白口鑄鐵(5.0%C,35%Cr)硬度超過HRC63,應用于渣漿泵過流件,使用壽命大幅度提高。

1.2.3  非錳系耐磨損合金鋼

目前國際上挖掘機斗齒、破碎汽車的大型錘破機錘頭等選用非錳系耐磨合金鋼。采用AOD爐等精煉工藝技術以提高合金鋼綜合性能,是國外生產此類鑄鋼的先進技術。

1.2.4  耐磨損鋼鐵復合材料

鋼鐵基耐磨復合材料是近些年國外耐磨材料研究開發的熱點之一。前些年比利時MAGOTTEAUX公司研制出“Bimetal”鋼鐵雙金屬復合技術(耐磨層是硬度>HRC61的高鉻鑄鐵,其他部位是αkn>245 J/cm的低碳合金鋼);開發出“Duocast”復合技術,將高硬度高鉻鐵鑲嵌在球鐵中,生產出大型立磨的磨輥;研發“Xwin”技術在立磨高鉻合金磨盤(磨輥)表層鑲嵌高硬異質顆粒。之后又將Duocast和Xwin復合技術再組合用于立磨磨輥。此復合鑄造材料磨輥和磨盤生產和應用效果良好,反映出該復合鑄造材料技術是一種先進技術,值得借鑒。但在簡化工藝、保證工藝穩定性和生產成本控制方面值得關注。

1.3  國內外的差距

在耐磨材料技術方面,我國材料研發水平較高,工藝技術水平和裝備水平還有一些差距。與耐磨材料工業發達國家相比,我國鑄造耐磨材料產業的主要差距和不足是:整體技術研發和技術改造能力較弱;企業自主創新投入嚴重不足;自動化和機械化生產程度有待提高;缺乏專業人才;知識產權認識和保護不足;采用先進標準組織生產不夠,執行標準不嚴格;企業工藝技術水平參差不齊;缺乏核心關鍵技術;用新技術、新工藝生產高附加值高端產品的認識不足;科技成果轉化和推廣應用較差;生產裝備水平較低;產品質量不夠穩定;熔煉與精煉水平較低,堿性電弧爐應用較少,精煉爐應用甚少;大型耐磨件制造困難;鑄件粗糙度等表面質量較差;尺寸和重量偏差較大;先進檢測儀器和手段的應用較少;產品國際競爭力欠佳。

1.4  問題分析與解決思路

我國鑄造耐磨材料產業技術與世界先進水平還有5~10年的差距,產業技術研發能力不夠與技術投入不足是這種差距的主要原因,為此我國部分耐磨材料企業只能處于產業低端從事來料加工業。

通過加大投入、資源整合和協同創新,實現產業技術創新、改造與突破,是我國鑄造耐磨材料產業升級的迫切任務。

2  發展目標

“十三五”期間,我國鑄造耐磨材料產業技術部分落后領域縮小與工業發達國家的差距,爭取整體技術水平達到國際先進水平,部分領域技術水平達到國際領先水平。

3  發展重點

3.1 技術路線

分別從耐磨材料開發與應用領域、熔煉與鑄造領域、熱處理領域、機械加工領域、裝備制造領域、產業共性技術創新體系建設領域開展工作,構成合理技術路線。

3.2 共性和關鍵技術研發

奧氏體錳鋼合金設計、優化選材,在不降低韌性的情況下提高耐磨性。

解決高硬度過共晶高鉻鑄鐵件脆性問題,提高鉻合金耐磨鑄鐵性價比。

通過合金化、精煉、鑄造工藝和熱處理工藝提高非錳系耐磨損合金鋼硬韌性能和拓展應用工況。

陶瓷顆粒與預制體增強鋼鐵基耐磨復合材料及制備技術。

含碳化物球墨鑄鐵合金設計與組織控制,提高材料硬韌性能和拓展應用工況。

金屬型、覆砂金屬型、離心鑄造、外場輔助鑄造等耐磨件生產線研制與應用。

耐磨鋼鐵液精煉和過濾技術研發與應用。

4  重點項目

重點項目如表1所示。

5  政策建議

增加財政經費投入與支持,鼓勵和實踐政產學研用合作機制,加強產業技術聯盟與協同創新中心建設,加強共性技術創新平臺建設,建設和完善鑄造耐磨材料標準化體系。


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