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.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司質檢計量中心，遼寧 鞍山114021）

泵送技術是現代施工的常用方式，廣泛應用于建筑行業和礦山行業的混凝土和礦物輸送中，如高鐵、隧道、橋梁、海防、排污等建設工程及民用建筑，但隨著城市中超高層建筑的增加，對泵送施工技術也是一個極大的考驗。目前，混凝土泵車的輸送管道通常采用內表面經過感應淬火處理的耐磨無縫管，混凝土泵車企業多采購45#、45Mn2、55Mn等無縫鋼管制作耐磨管，主要規格為外徑Φ133 mm，壁厚范圍4～5.5 mm。此類產品廣泛應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，或礦山礦漿運輸管道上，工作壓力15～30 MPa，鋼管服役于硬物料、大顆粒介質的高壓、高速沖擊磨損工況中，每年因磨損消耗的鋼管數量巨大。本文以現混凝土泵車常用不同材質的單層耐磨管為研究對象，對其硬度、磨損失重、磨損形貌、顯微組織等進行綜合分析研究，進一步了解耐磨性與硬度、組織的關系，為采用感應淬火方式生產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工藝

國內近十年研制、生產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品主要有單層耐磨無縫管和雙層金屬復合耐磨無縫管兩種。

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→內壁感應淬火處理→外表面噴漆。此種耐磨管主要是通過對鋼管內表面進行感應淬火，使鋼管內壁在一定的厚度范圍內發生組織轉變，達到要求的硬度，從而使鋼管內壁具有良好的耐磨性，同時又保留外壁的原始組織，使其具有一定的韌性。

雙層復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，一般采用機械復合、冶金復合等方式生產，其加工工藝相對復雜，生產成本較高。當需要滿足更高輸送方量和抗高壓能力時，往往采用雙層金屬復合管。

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工藝、使用工況和磨損條件差距很大，成分設計的思路也不盡相同。考慮到混凝土泵車輸送管道的實際工況，以及經濟適用性等問題，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濟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，所以在成分設計時碳含量不宜過高。因此為使耐磨管能達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還不會過多地降低材料的韌性。同時，也可以考慮加入適量的Ti、Cr等合金元素細化奧氏體晶粒以及提高淬透性，并形成一定的碳化物進一步提高鋼的硬度和耐磨性。

按相應的標準規定，單層耐磨管的內表面經感應淬火處理后，要求鋼管內表面得到一定厚度的馬氏體組織，硬度值達到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、硬度間的關系進行分析和討論。

2.1 化學成分

選取的4個試樣化學成分見表1。

表1 化學成分（質量分數）Table 1 Chemical Compositions（Mass Fraction） %

2.2 淬硬層的深度及硬度

選取4種內表面經感應淬火處理的鋼管試樣，中頻感應爐的淬火加熱溫度為800～850℃，對4個試樣進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壁的淬硬層位置。試樣內表面硬度如表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 試樣內表面硬度Table 2 Inner Surface Hardness of Samples

2.3 金相組織觀察

對鋼管內表面感應淬火的4個試樣進行金相組織觀察，光學顯微鏡下觀察到的鋼管外壁原始組織和內壁淬火組織見圖1，在掃描電鏡下放大4 000倍對內壁淬火組織進一步觀察，掃描電鏡下內表面淬火組織見圖2。

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

圖2 掃描電鏡下內表面淬火組織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狀鐵素體，內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狀鐵素體，內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機進行磨料磨損對比試驗，4個試樣的磨損量隨磨損時間的磨損量見表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試樣隨磨損時間加長更會體現出良好的耐磨性。

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個試樣磨損后的表面進行觀察，試樣在掃描電鏡下的鋼管內表面磨痕形貌見圖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，磨料磨損時硬質點與材料相互作用，使金屬表面發生犁溝或切削，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行分析的圖像，4個試樣的表面都分布著大小不同磨坑，且存在腐蝕現象。1試樣表面的單個磨坑的面積較大，2、3、4試樣表面的單個磨坑的面積較小，且磨坑周圍存在明顯的裂紋，經過測量，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，并且在后續磨損過程中出現脫落的傾向也較大，這就是圖3中為什么隨著磨損時間的加長，3試樣的失重反而增加的原因。

圖3 鋼管內表面磨痕形貌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，因為它既不能代表塑性流動特性的大小，也不能代表材料對裂紋的產生和擴展的敏感程度。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，但對硬度貢獻則不大。因此固溶強化對相對耐磨性作用不明顯，只有當合金元素形成特殊碳化物時，鋼的硬度及相對耐磨性才會提高。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，在經感應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處理可以細化奧氏體晶粒，利用加入Cr提高淬透性的同時，還可以形成一定的碳化物進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出現馬氏體組織。

（3）感應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試樣內表面感應淬火后的組織進行分析，2和4試樣內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試樣的內表面到次表層均為針狀馬氏體。由于未經過回火的馬氏體組織脆而硬，在經過一段時間磨損后，鋼管表面存在的裂紋就容易擴展并脫落，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試樣的耐磨性要優于3試樣。在實際使用中，采用3試樣成分生產的混凝土泵車用耐磨管就容易出現管道內壁開裂或磨損掉塊堵管等問題。

（4）鋼的原始組織對感應淬火的影響：感應淬火前的原始組織不同，淬火后的硬化層深度和過渡區的大小也會有較大的差異。從對4個試樣的分析可以看出，1、2和4號試樣的原始組織都為珠光體和網狀鐵素體，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，并且還容易發生淬裂現象的原因。因此，控制好感應淬火前的原始組織是保證淬火后鋼管內表面耐磨性良好的前提，感應淬火前的原始組織為調質回火索氏體和正火索氏體狀態是最適宜的。

4 結論

（1）材料的硬度是抗磨損的一個重要指標，但不能單純的靠提高硬度來提高耐磨性能，還應該考慮淬火后的組織狀況。單層耐磨管感應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）感應淬火前的原始組織對淬火后硬化層深度和過渡區大小，以及淬火后組織影響較大。因此，為進一步提高混凝土輸送耐磨管的耐磨性，在鋼管內表面感應淬火前進行調質或正火預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，又可以保證鋼管內層經感應淬火后能得到較厚的硬化層和良好的耐磨組織。