混凝土泵車用耐磨無縫管組織與耐磨性研究

袁琴 ，吳紅 ，王善寶 ，趙波 ，解德剛 ，王施文

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司質(zhì)檢計(jì)量中心，遼寧 鞍山114021）

泵送技術(shù)是現(xiàn)代施工的常用方式，廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)和礦山行業(yè)的混凝土和礦物輸送中，如高鐵、隧道、橋梁、海防、排污等建設(shè)工程及民用建筑，但隨著城市中超高層建筑的增加，對泵送施工技術(shù)也是一個(gè)極大的考驗(yàn)。目前，混凝土泵車的輸送管道通常采用內(nèi)表面經(jīng)過感應(yīng)淬火處理的耐磨無縫管，混凝土泵車企業(yè)多采購45#、45Mn2、55Mn等無縫鋼管制作耐磨管，主要規(guī)格為外徑Φ133 mm，壁厚范圍4～5.5 mm。此類產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在泵送水泥混凝土三四十米及更高的高層建筑施工泵車，或礦山礦漿運(yùn)輸管道上，工作壓力15～30 MPa，鋼管服役于硬物料、大顆粒介質(zhì)的高壓、高速?zèng)_擊磨損工況中，每年因磨損消耗的鋼管數(shù)量巨大。本文以現(xiàn)混凝土泵車常用不同材質(zhì)的單層耐磨管為研究對象，對其硬度、磨損失重、磨損形貌、顯微組織等進(jìn)行綜合分析研究，進(jìn)一步了解耐磨性與硬度、組織的關(guān)系，為采用感應(yīng)淬火方式生產(chǎn)更耐磨的單層耐磨管提供幫助。

1 混凝土泵車用耐磨無縫管生產(chǎn)工藝

國內(nèi)近十年研制、生產(chǎn)和使用的輸送砂漿用無縫管品種有很多，用于水泥混凝土輸送用的無縫鋼管產(chǎn)品主要有單層耐磨無縫管和雙層金屬復(fù)合耐磨無縫管兩種。

單層耐磨管的加工工藝為鋼管定尺切斷→兩端焊接鋼制法蘭→內(nèi)壁感應(yīng)淬火處理→外表面噴漆。此種耐磨管主要是通過對鋼管內(nèi)表面進(jìn)行感應(yīng)淬火，使鋼管內(nèi)壁在一定的厚度范圍內(nèi)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，達(dá)到要求的硬度，從而使鋼管內(nèi)壁具有良好的耐磨性，同時(shí)又保留外壁的原始組織，使其具有一定的韌性。

雙層復(fù)合耐磨管主要是用于超高層建筑的泵送，具有較高的耐磨性和抗爆能力，一般采用機(jī)械復(fù)合、冶金復(fù)合等方式生產(chǎn)，其加工工藝相對復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高。當(dāng)需要滿足更高輸送方量和抗高壓能力時(shí)，往往采用雙層金屬復(fù)合管。

2 常用單層耐磨管性能的分析對比

單層耐磨管和耐磨鋼板的生產(chǎn)工藝、使用工況和磨損條件差距很大，成分設(shè)計(jì)的思路也不盡相同?？紤]到混凝土泵車輸送管道的實(shí)際工況，以及經(jīng)濟(jì)適用性等問題，單層耐磨管一般選用中碳的C-Mn鋼作為基礎(chǔ)成分，碳含量一般控制在0.40%～0.60%，主要是利用了碳這種最經(jīng)濟(jì)最有效的元素來提高耐磨鋼的硬度。一般來說，鋼的含碳量決定鋼的硬度，對于亞共析鋼，其耐磨性與碳含量成正比，含碳量越高，鋼的相對耐磨性越好；不過當(dāng)碳含量大于0.7%之后這種影響變小。然而，隨著碳含量的增加，鋼材的延伸率、沖擊功等塑性、韌性指標(biāo)迅速下降，鋼材變脆，焊接性能也下降，這對混凝土泵車輸送管道的使用十分不利，所以在成分設(shè)計(jì)時(shí)碳含量不宜過高。因此為使耐磨管能達(dá)到所需要的硬度要求，考慮加入一定量的錳，這樣就可以在提高硬度的同時(shí)還不會(huì)過多地降低材料的韌性。同時(shí)，也可以考慮加入適量的Ti、Cr等合金元素細(xì)化奧氏體晶粒以及提高淬透性，并形成一定的碳化物進(jìn)一步提高鋼的硬度和耐磨性。

按相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，單層耐磨管的內(nèi)表面經(jīng)感應(yīng)淬火處理后，要求鋼管內(nèi)表面得到一定厚度的馬氏體組織，硬度值達(dá)到50 HRC以上，以此來提高抗磨損性能。本文選取了4種不同成分的耐磨管試樣，對其耐磨性能與組織、硬度間的關(guān)系進(jìn)行分析和討論。

2.1 化學(xué)成分

選取的4個(gè)試樣化學(xué)成分見表1。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Compositions（Mass Fraction） %

2.2 淬硬層的深度及硬度

選取4種內(nèi)表面經(jīng)感應(yīng)淬火處理的鋼管試樣，中頻感應(yīng)爐的淬火加熱溫度為800～850℃，對4個(gè)試樣進(jìn)行淬硬層厚度及洛氏硬度檢測，測量位置在鋼管端面靠近內(nèi)壁的淬硬層位置。試樣內(nèi)表面硬度如表2所示，淬硬層的硬度為57～61 HRC,差別不大，1硬度略低，淬硬層厚度為1.7～3.8 mm，其中4試樣的淬硬層厚度最大，3試樣的淬硬層厚度最小。

表2 試樣內(nèi)表面硬度Table 2 Inner Surface Hardness of Samples

2.3 金相組織觀察

對鋼管內(nèi)表面感應(yīng)淬火的4個(gè)試樣進(jìn)行金相組織觀察，光學(xué)顯微鏡下觀察到的鋼管外壁原始組織和內(nèi)壁淬火組織見圖1，在掃描電鏡下放大4 000倍對內(nèi)壁淬火組織進(jìn)一步觀察，掃描電鏡下內(nèi)表面淬火組織見圖2。

圖1 光學(xué)顯微鏡金相組織Fig．1 Metallographic Microstructures by Optical Microscope

圖2 掃描電鏡下內(nèi)表面淬火組織Fig．2 Inner Surface Quenched Microstructures by SEM

由圖可知1試樣外壁原始組織為珠光體和網(wǎng)狀鐵素體，內(nèi)表面為馬氏體和貝氏體組織；2試樣外壁原始組織為珠光體和少量網(wǎng)狀鐵素體，內(nèi)表面為馬氏體和屈氏體的混合組織；3試樣外壁原始組織為馬氏體和少量貝氏體及珠光體組織，內(nèi)表面為馬氏體組織；4試樣外壁原始組織為珠光體和少量鐵素體，內(nèi)表面為馬氏體和屈氏體的混合組織。

2.4 失重測試

用濕砂橡膠輪磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨料磨損對比試驗(yàn)，4個(gè)試樣的磨損量隨磨損時(shí)間的磨損量見表3。1、3試樣的起始磨損量明顯大于2和4試樣，且隨時(shí)間的延長，磨損量均逐漸增大；1和3試樣相比，1試樣在起始階段磨損量大于3試樣，但隨著時(shí)間延長，3試樣的磨損趨勢加大；2和4試樣起始磨損量較小，4試樣隨后磨損的趨勢更小。總體來看2和4試樣的磨損量相對較小，說明耐磨性較好，尤其4試樣隨磨損時(shí)間加長更會(huì)體現(xiàn)出良好的耐磨性。

表3 試樣磨損量Table 3 Wear Allowance of Tested Steels mg

2.5 磨損面的形貌特征

對4個(gè)試樣磨損后的表面進(jìn)行觀察，試樣在掃描電鏡下的鋼管內(nèi)表面磨痕形貌見圖3，試樣在激光共聚焦掃描顯微鏡下的表面磨坑形貌見圖4。從試樣磨損面的形貌可以看出，磨料磨損時(shí)硬質(zhì)點(diǎn)與材料相互作用，使金屬表面發(fā)生犁溝或切削，并在表面留下溝槽。

從圖3看，1試樣的磨痕明顯，且溝槽最深；2、3、4試樣磨損表面較平整，磨痕不明顯，溝槽也較淺，4個(gè)試樣的磨損面上都有一定程度的裂紋和磨坑，3試樣表面出現(xiàn)的裂紋更明顯，且表面分布的磨坑也較多較深。

圖4 是通過激光共聚焦掃描顯微鏡對磨損表面的磨坑進(jìn)行分析的圖像，4個(gè)試樣的表面都分布著大小不同磨坑，且存在腐蝕現(xiàn)象。1試樣表面的單個(gè)磨坑的面積較大，2、3、4試樣表面的單個(gè)磨坑的面積較小，且磨坑周圍存在明顯的裂紋，經(jīng)過測量，3試樣表面的磨坑最深，且表面脫落掉塊更明顯。

圖4 表面磨坑形貌Fig．4 Images of Wear Pits on Surface

通過4個(gè)試樣的磨損表面形貌可以看出，1試樣磨損量較大，說明材料的硬度相對較低；而3試樣磨損面較平整，磨痕也不明顯，說明材料的硬度不低，但由于存在較多較深的裂紋和磨坑，所以磨損量也相對較大，并且在后續(xù)磨損過程中出現(xiàn)脫落的傾向也較大，這就是圖3中為什么隨著磨損時(shí)間的加長，3試樣的失重反而增加的原因。

圖3 鋼管內(nèi)表面磨痕形貌Fig．3 Images of Wear Traces in Inner Surface of Steel Pipes

3 耐磨性的分析與探討

（1）硬度對耐磨性的影響：材料表面的硬度對磨損影響極大，但是硬度并不能完全決定磨損量，因?yàn)樗炔荒艽硭苄粤鲃?dòng)特性的大小，也不能代表材料對裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展的敏感程度。從1和3試樣硬度對比可以看出，3試樣的硬度比1試樣高，從30 min的總磨損量比較,兩個(gè)試樣相差不大，3試樣的磨損趨勢更差。說明要保證材料具有良好的耐磨性，不但要有較高的硬度，同時(shí)還要有相對較好的韌性。

（2）鋼成分對耐磨性的影響：鋼的含碳量決定鋼的硬度，含碳量越高，鋼的相對耐磨性越好。合金元素可以改善鋼的淬透性，但對硬度貢獻(xiàn)則不大。因此固溶強(qiáng)化對相對耐磨性作用不明顯，只有當(dāng)合金元素形成特殊碳化物時(shí)，鋼的硬度及相對耐磨性才會(huì)提高。從4種試樣的成分中可以看出，1試樣的碳相對較低，除Mn外也沒有加入其他合金元素，所以硬度及耐磨性就相對較低。3試樣碳和錳都相對較高，同時(shí)還加入了少量的Cr、V、Ti合金，這就使3試樣的淬透性最好，在經(jīng)感應(yīng)淬火后容易得到更多的馬氏體組織，雖然硬度有所提高，但韌性降低。從對比的情況看，3試樣的耐磨性是最差的。 2、4試樣與3試樣相比，C和Mn都降低了，并且只考慮加入Cr、Ti，而不加V，這樣考慮的目的一方面是利用微Ti處理可以細(xì)化奧氏體晶粒，利用加入Cr提高淬透性的同時(shí)，還可以形成一定的碳化物進(jìn)一步提高鋼的硬度和耐磨性；另一方面，降低C和Mn含量，不加V，是不希望在熱軋狀態(tài)出現(xiàn)馬氏體組織。

（3）感應(yīng)淬火后的組織對耐磨性的影響：不同的組織具有不同的硬度，其耐磨性也是不同的。硬度相同的不同組織，在相對耐磨性方面也有一定的差異。對2、4試樣與3試樣內(nèi)表面感應(yīng)淬火后的組織進(jìn)行分析，2和4試樣內(nèi)表面的最表層為針狀馬氏體，次表層為隱針狀馬氏體以及屈氏體和少量貝氏體混合組織，3試樣的內(nèi)表面到次表層均為針狀馬氏體。由于未經(jīng)過回火的馬氏體組織脆而硬，在經(jīng)過一段時(shí)間磨損后，鋼管表面存在的裂紋就容易擴(kuò)展并脫落，而隱針狀馬氏體和屈氏體混合組織的韌性要好于針狀馬氏體，裂紋的形成和擴(kuò)展相對較慢，因此在相同的硬度下，2和4試樣的耐磨性要優(yōu)于3試樣。在實(shí)際使用中，采用3試樣成分生產(chǎn)的混凝土泵車用耐磨管就容易出現(xiàn)管道內(nèi)壁開裂或磨損掉塊堵管等問題。

（4）鋼的原始組織對感應(yīng)淬火的影響：感應(yīng)淬火前的原始組織不同，淬火后的硬化層深度和過渡區(qū)的大小也會(huì)有較大的差異。從對4個(gè)試樣的分析可以看出，1、2和4號(hào)試樣的原始組織都為珠光體和網(wǎng)狀鐵素體，塑性和韌性相對較好，而3試樣的原始組織以馬氏體為主，再加上少量的貝氏體和少量珠光體組織，這種組織的塑性和韌性較差，這就是3試樣淬硬層最薄，并且還容易發(fā)生淬裂現(xiàn)象的原因。因此，控制好感應(yīng)淬火前的原始組織是保證淬火后鋼管內(nèi)表面耐磨性良好的前提，感應(yīng)淬火前的原始組織為調(diào)質(zhì)回火索氏體和正火索氏體狀態(tài)是最適宜的。

4 結(jié)論

（1）材料的硬度是抗磨損的一個(gè)重要指標(biāo)，但不能單純的靠提高硬度來提高耐磨性能，還應(yīng)該考慮淬火后的組織狀況。單層耐磨管感應(yīng)淬火后得到的隱針狀馬氏體、屈氏體及少量貝氏體的混合組織，比單純的針狀馬氏體組織具有更好的耐磨性。

（2）感應(yīng)淬火前的原始組織對淬火后硬化層深度和過渡區(qū)大小，以及淬火后組織影響較大。因此，為進(jìn)一步提高混凝土輸送耐磨管的耐磨性，在鋼管內(nèi)表面感應(yīng)淬火前進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火預(yù)備熱處理是很有必要的，這樣既可以使鋼管外層具有好的塑性和韌性，又可以保證鋼管內(nèi)層經(jīng)感應(yīng)淬火后能得到較厚的硬化層和良好的耐磨組織。