高硅铸钢及其应用

mysuncool0315

　在工程机械、矿石粉碎、火力发电、水泥建材、铁路等领域，大量应用易磨损件。目前广泛应用的耐磨材料是高锰钢和少量的低合金耐磨钢、奥－贝球铁（ADI）以及高铬铸铁。由于奥氏体高锰钢的初始硬度很低，其耐磨性完全依赖于使用过程中的加工硬化效应，耐磨特性只有在高冲击负荷的工作条件下才能表现出来，在实际应用条件下，不能或不能完全加工硬化，其耐磨特性不能得到充分发挥，有时甚至低于普通碳钢。低合金耐磨钢生产工艺复杂、成本高，耐磨性能没有明显优势。奥－贝球铁韧性低，不适应于有较大冲击的磨损领域，同时石墨球在冲击磨损条件下不但不能起到自润滑作用，而且会成为影响其使用寿命的裂纹扩展源，耐磨性能受到了很大影响。高铬铸铁也存在韧性低，不适应于冲击磨损的缺点。
% c' w+ s# U0 M( M　　因而研制出具有高强度、高韧性的低合金耐磨材料取代上述耐磨材料，将会取得很大的社会和经济效益。
0 {/ N5 Z7 Z! X- X) B　　清华大学机械工程系一直在开展铸造合金及应用方面的研究工作。以李言祥教授为主的课题组自1995年9月开始自筹资金进行高硅铸钢的研究工作，针对高硅铸钢的化学成分、热处理工艺以及显微组织与机械性能、耐磨性能间的关系进行了系统的研究，同时还研究了非金属夹杂物对高硅铸钢机械性能的影响，并在此基础上进行了工业应用试验和推广应用。高硅铸钢作为一种新型耐磨材料，其制造方法已于2001年获得了中国国家发明专利，并于2002年5月通过了国家教育部主持的科技成果鉴定。
2 ~9 G4 x3 n- ?- w/ H* ^+ i　　宁波浙东精密铸造有限公司是目前国内规模最大的专业生产挖掘机斗齿的铸钢生产企业，年产精密铸件斗齿超过7000吨，愈七成产品出口，销往北美、欧洲、澳洲、南亚及阿拉伯地区，并与美国Romac公司、Katerpillar公司、英国Pengo公司以及澳大利亚ECH公司建立了长期稳定的关系，为他们提供OEM斗齿产品。企业2001年被宁波市政府认定为高新技术企业，并得到了国家科技部中小企业创新基金贴息项目的支持。
& y+ A1 E: {/ a  m　　在高硅铸钢的研究前期，清华大学自筹资金5万余元进行了实验室研究，前后共投入一名本科生进行毕业设计和两名硕士研究生进行课题的相关工作。1999年9月，清华大学与浙东公司签订了技术转让合同，转让了高硅铸钢的生产技术，并进行斗齿产品的初试和中试，浙东公司投入资金近25万元人民币。
- j: e+ T& ^+ i' l6 }　　实验室研究结果和工业应用性试验表明，高硅铸钢的生产工艺简单、成本低廉；通过合理的化学成分设计和热处理规范选择，得到由贝氏体和残余奥氏体组成的双相组织，具有高强韧性和高耐磨性，作为耐磨材料可以应用于各种冲击磨料磨损场合。
9 Q9 B0 I9 X' o0 p6 e+ B/ q: r% h9 A4 `　　高硅铸钢的机械性能指标如下：
; k7 Y8 a7 r3 c+ {1 u5 ?　　抗拉强度σb＝1200－1800 MPa，屈服强度σ0．2＝1000－1600 MPa，
( }: c5 z' J6 Y/ o* |　　延伸率δ5＝2－15％，冲击韧性A KV＝10－40J
( Z, }- o+ O% k( m, n" U　　硬度HRC＝35－48（初态）50－58（冲击硬化后）
! R% Y+ U8 i6 h8 \$ s7 b( x　　对于实际使用情况，浙东公司进行了专门的市场追踪调查。调查结果显示，高硅铸钢斗齿在挖掘花岗岩时的寿命为15天，相比而言，高锰钢斗齿的寿命为9天，低合金钢斗齿的寿命为7天；高硅铸钢在挖掘泥沙时的寿命为45天，相比而言，高锰钢斗齿的寿命为25天，低合金钢斗齿的寿命为37天。由此可以看出，高硅铸钢斗齿具有很好的耐磨性能。高硅耐磨铸钢斗齿的研制成功，打破了国外产品在中国中高档挖掘机斗齿市场上的垄断地位，并能在国际市场上与一些著名的国际品牌进行强有力的竞争。
- Y5 Q& V' C6 N# g7 t: |3 W, B) i合作方式
　　双方的合作，主要是在清华大学的实验室前期工作的基础上进行挖掘机斗齿产品的试制，制定生产工艺，研究产品生产的关键技术参数，并进行中试生产。
$ d% ?( N" X' a/ a9 g& i　　双方合作过程中遇到的主要问题是在稳定生产的前提下，研究在不同冲击功的冲击磨料磨损条件下经过不同热处理工艺后的高硅铸钢的耐磨性能。主要包括：
# V- N5 n3 I* n/ j  \! C　　在没有冲击或低冲击负荷、低应力磨料磨损条件（如在挖掘泥土时）下高硅铸钢的耐磨性能；在中等冲击负荷磨料磨损条件（如在挖掘大块岩石时）下高硅铸钢的耐磨性能；在较强冲击负荷磨料磨损条件（如直接在岩石壁上凿削挖掘时）下高硅铸钢的耐磨性能；制定出针对具体的使用工矿条件的高硅铸钢的最佳热处理温度和时间。
, N4 }# h+ g3 l4 N　　解决方法是在实验室进行冲击磨料磨损试验，在实验室研究结果的基础上，将其直接在实际生产中进行试用，针对不同的工况条件和主要的磨损类型，找出在某些特定工矿条件下材料的最佳的耐磨性能，并由此追溯到材料的热处理工艺，从而确定针对不同工况条件的最佳热处理工艺。
合作结果
　　高硅铸钢斗齿的生产已进入规模生产阶段，产品质量可靠、性能稳定、使用安全，成品率可达95%以上。高硅铸钢斗齿产品销售情况非常好，由于性能/价格比很高，产品不但畅销国内市场，美国ROMAC公司、英国PENGO公司、澳大利亚的ECH公司也都是本产品的忠实客户。
9 u+ l4 h, c& A# N+ m; [　　经济效益方面，浙东公司自大规模生产高硅铸钢斗齿以来，累计实现产值4300万元，创汇316万美元，实现利润927万元。清华大学也获得了60多万元的技术转让费和100万元的后续科研开发费用。