碳含量對(duì)低鉻合金鋼耐磨性影響的研究

黃曼曼，琚子來(lái)，姜利坤

(1.唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，河北 唐山 063020;2.山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014)

鋼鐵耐磨材料零件廣泛存在于冶金、礦山、建材、水泥、鐵路、電力、煤炭等行業(yè)的機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械零件的失效中，磨損占80%以上。美國(guó)因磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失每年約達(dá)1000億美元，據(jù)我國(guó)礦山、冶金、電力、煤炭以及農(nóng)機(jī)部門(mén)的不完全統(tǒng)計(jì)，僅因工件磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失每年達(dá)400億元［1］。因此，研究材料的耐磨性，探索各種元素對(duì)材料耐磨性的影響規(guī)律，從而提高耐磨件的抗磨性，延長(zhǎng)使用壽命，對(duì)持續(xù)生產(chǎn)、減少經(jīng)濟(jì)損失、增加經(jīng)濟(jì)效益以及創(chuàng)造耐磨件精品和品牌，具有重要意義。

本文研究了碳含量對(duì)低鉻合金鋼耐磨性的影響，該低鉻合金鋼是馬氏體(含有少量的貝氏體)鋼，合金中的主要元素有鉻、鉬、錳、硅等。合金鋼中碳含量過(guò)高或過(guò)低，對(duì)其耐磨性有很大的影響。因此系統(tǒng)研究碳含量對(duì)該合金鋼耐磨性的影響，有助于優(yōu)化產(chǎn)品的化學(xué)成分，促進(jìn)低鉻合金鋼的推廣應(yīng)用，為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 磨損試驗(yàn)機(jī)的選用及原理

磨損試驗(yàn)機(jī)選用動(dòng)載磨料磨損試驗(yàn)機(jī)MLD-10，此試驗(yàn)機(jī)可以模擬多種工況條件，用于金屬材料和各種干、濕磨料在有沖擊載荷或無(wú)沖擊載荷、接觸或無(wú)接觸、滑動(dòng)或滾動(dòng)摩擦情況下的耐磨性試驗(yàn)［2］。試驗(yàn)原理如圖1所示。

圖1 沖擊磨料磨損試驗(yàn)原理Fig.1 Test principle of impactabrasive wear

1.2 磨損試樣的制備

利用直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，試樣的化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)材料熱處理工藝(加工工藝)為 980℃/60min正火 +950℃/60min空冷+245℃/120min回火。磨損試樣的尺寸為40mm×10mm×10mm(長(zhǎng)×寬×高)。

1.3 磨損試驗(yàn)方案的確定

磨損試驗(yàn)主要是對(duì)比相同試驗(yàn)條件下，不同碳含量試樣的耐磨性。磨損試驗(yàn)條件為沖擊功1 J、沖錘質(zhì)量10kg、沖擊次數(shù)50次/min、沖錘自由落體高度11 mm、下試樣軸轉(zhuǎn)速200 r/min、磨料粒度0.1～4.0mm，磨損時(shí)間60min。磨損前后分別稱重，通過(guò)單位時(shí)間的質(zhì)量損失來(lái)反映材料耐磨性。磨損試驗(yàn)方案和結(jié)果如表1所示。

表1 試樣的各化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)Table 1 Chemical components of the test block(%)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 碳含量對(duì)耐磨性的影響

試樣在MLD-10型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。硬度測(cè)量在HR-150A型洛氏硬度計(jì)上進(jìn)行，每個(gè)試樣測(cè)5個(gè)點(diǎn)，取平均值。

表2 磨損試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Wear test result

碳含量對(duì)耐磨性的影響如圖2所示。從圖中可以看出，隨著碳含量的升高，試樣的硬度逐漸增加，導(dǎo)致磨損率降低。

圖3為試驗(yàn)材料經(jīng)熱處理后所獲得的掃描電鏡(SEM)圖。從圖中可以看出，各顯微組織是由許多成群排列的條狀馬氏體組成，板條束較細(xì)小呈現(xiàn)不規(guī)則形狀;稠密的板條被連續(xù)高度變形的殘余奧氏體薄膜所隔開(kāi);板條間殘余奧氏體薄膜上均勻分布著彌散相。此外，隨著碳含量的增加，板條群中的平行排列的同位向束尺寸逐漸減小，不同方向排列的板條束變體逐漸增多，當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.30%時(shí)，基體中出現(xiàn)片狀馬氏體。

圖2 碳含量對(duì)耐磨性的影響Fig.2 Impact of carbon content on wear rate

圖3 碳含量對(duì)組織的影響(2000×)Fig.3 Impact of carbon content on microstructure(2000 × )

圖4 不同碳含量對(duì)合金鋼磨損后表面形貌的影響Fig.4 Impact of carbon content on worn surface morphology of alloysteel

從圖4A可以看出，在碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.27%的磨損試驗(yàn)中，由于待測(cè)試樣的硬度低，當(dāng)待測(cè)合金鋼試樣和鑄鐵下試樣二者之間的磨粒在受到?jīng)_撞時(shí)，一部分被壓入下試樣表面，此時(shí)磨粒主要對(duì)待測(cè)試樣產(chǎn)生顯微切削;當(dāng)待測(cè)試樣表面受到磨粒擠壓時(shí)，材料表面具有靜水壓的應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)壓痕深度大于材料產(chǎn)生斷裂的臨界壓痕深度時(shí)，因磨粒壓入而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力使裂紋萌生并圍繞壓入的塑性變形區(qū)擴(kuò)展，而且在三體磨料磨損中，由于存在滑動(dòng)，壓入深度比靜態(tài)壓入時(shí)要淺得多，故更容易產(chǎn)生裂紋，由于待測(cè)合金鋼材質(zhì)韌性相對(duì)較高，能使得磨粒對(duì)待測(cè)試樣表面沿裂紋產(chǎn)生長(zhǎng)距離滑動(dòng)，最終使裂紋擴(kuò)展而產(chǎn)生材料遷移，故形成微觀切削［3－5］。

從圖4B可以看出，在碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.33%的試樣表面發(fā)現(xiàn)有大量的沖擊坑，在坑的周?chē)紳M塑變唇，而且塑變唇經(jīng)后續(xù)的擠壓有部分已被壓平，還可以看到由于磨粒的犁皺作用而產(chǎn)生塑變脊，凹凸不平的波紋狀痕跡及一些顯微切削，因此在這組磨損運(yùn)動(dòng)副下，試樣的磨損機(jī)理以微觀犁皺為主且附帶一些顯微切削磨損［6－9］。

從圖4C可以看出，在碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.42%的磨損試驗(yàn)時(shí)，由于待測(cè)試樣合金鋼的硬度高但是韌性低，所以在沖擊磨損過(guò)程中，磨粒優(yōu)先被壓入下試樣表面，而且壓入的深度深，所以在后續(xù)的運(yùn)動(dòng)中磨粒因?yàn)閴喝胼^深而被夾持在下試樣的磨損表面上，待測(cè)試樣表面在反復(fù)的高強(qiáng)度擠壓下，材料發(fā)生3次塑變形而在亞表層形成應(yīng)力周變，導(dǎo)致材料發(fā)生多次沖擊硬化，材料硬化到超過(guò)其自身的強(qiáng)度極限時(shí)在亞表層產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致材料呈扁平狀磨屑脫落，形成微觀斷裂(剝落)磨損機(jī)理［9－10］。與此同時(shí)，在電鏡下還可以看到部分顯微切削磨損。

從圖4D可以看出，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.48%的試樣表面凹凸起伏、高低不平。由于碳含量升高，試樣的硬度隨之上升，沖擊韌性下降，磨料很難被擠壓及鑲嵌到試樣表面，只能對(duì)表面進(jìn)行反復(fù)的沖擊，在高強(qiáng)度的沖擊及擠壓過(guò)程中發(fā)生塑性變形，在亞表層形成應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料的強(qiáng)度極限時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生橫向縱向裂紋，當(dāng)裂紋逐漸擴(kuò)展到試樣表面時(shí)，造成材料微觀斷裂，直致脫落［11］。

3 結(jié)論

對(duì)低鉻金金鋼材料的磨損試驗(yàn)證明，試樣隨著碳含量的升高，硬度逐漸增加，導(dǎo)致磨損率降低，耐磨性提高。當(dāng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.27% ～0.4%時(shí)，隨著碳含量的增加，試樣磨損率降低，耐磨性提高，而且變化明顯;當(dāng)碳含量大于0.4%以后，磨損率趨于穩(wěn)定，耐磨性變化不大。

［1］杜西靈，杜磊.鋼鐵耐磨鑄件鑄造技術(shù)［M］.廣州:廣東科技出版社，2006.

［2］郭建斌.中鉻合金耐磨鋼的組織與性能研究［D］.天津:河北工業(yè)大學(xué)，2009.

［3］姜利坤，劉金海，李國(guó)祿，等.熱處理工藝對(duì)低合金鋼組織和力學(xué)性能的影響［J］.鑄造，2009，58(2):148－150.

［4］KRAWCZYK J，ROZNIATA E，PACYNA J.The influence of hypereutectoid cementite morphology upon fracture toughness of chromium-nickel-molibdenium cast steel of ledeburite class［J］.Journal of Materials Processing Technology，2005，162/163:336 －341.

［5］程巨強(qiáng)，王先武，高興明.ZG30CrMnNiMo鋼的組織和性能研究［J］.礦山機(jī)械，2005，33(3):13 －14.

［6］劉志學(xué)，程巨強(qiáng).ZG30CrMn2Si2Mo鑄鋼斗齒的研制［J］.鑄造，2005，54(10):1036 －1038.

［7］LU Z L，RAO Q C，JIN Z H.An investigation of the corrosion-abrasion wear behavior of 6%chromium martensitic cast steel［J］.Journal of Materials Processing Technology，1999，95(1):180 －184.

［8］呂振林，鄧月聲，饒啟昌.中鉻鑄鋼及其在濕式磨機(jī)襯板上的應(yīng)用［J］.熱加工工藝，1995(6):46－50.

［9］戴敦才，曾耀東.鉻鉬鈮合金鑄鋼組織與耐磨性的探討［J］.機(jī)械工程材料，1997，21(2):36－38.

［10］樸東學(xué)，齊笑冰，李慧玉，等.多相低合金抗磨鑄鋼材料的研究［J］.鑄造，1995(5):10－13.

［11］尚平，蘇繼權(quán)，楊峰.中鉻抗磨鑄鋼主元素對(duì)力學(xué)性能的影響［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，2(4):27－29.