低成本熱軋700MPa級(jí)載重汽車車廂板的耐磨性能

王曉南，杜林秀，邸洪雙

（1.蘇州大學(xué) 沙鋼鋼鐵學(xué)院，蘇州215021；2.東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110819）

0 引 言

以電力為主的新能源汽車技術(shù)和輕量化技術(shù)是解決汽車節(jié)能減排問(wèn)題的主要措施［1－2］，但電動(dòng)汽車受到電池技術(shù)的制約，因此輕量化是目前載重汽車節(jié)能減排最有效的措施［3］?，F(xiàn)我國(guó)載重汽車產(chǎn)量占國(guó)內(nèi)汽車總產(chǎn)量30%，年產(chǎn)量達(dá)到600萬(wàn)輛，其車身材料的70%為鋼鐵?，F(xiàn)國(guó)外已將屈服強(qiáng)度為700MPa級(jí)鋼板廣泛應(yīng)用在載重汽車生產(chǎn)制造上，如瑞典SSAB公司的Domex650MC、Domex700MC，日本JFE的 NANOHITEN Steel等［4－6］。而國(guó)內(nèi)載重汽車車廂用鋼的屈服強(qiáng)度僅為350～450MPa，鋼板強(qiáng)度低，車廂自重大。采用超高強(qiáng)度薄鋼板替代低強(qiáng)度厚鋼板，可在減少鋼材用量同時(shí)提高有效負(fù)載能力和運(yùn)輸效率。寶鋼采用低碳和一定量的錳復(fù)合并加入微合金元素（鈮、釩、鈦和鉬）的方法，成功生產(chǎn)出BS550MC－BS700MC系列熱軋鋼板，主要用于載重汽車大梁及車廂等的制造。

磨損是金屬材料的主要破壞形式之一［7－8］。對(duì)于車廂板而言，在使用過(guò)程中無(wú)法避免發(fā)生表面磨損，導(dǎo)致其表面狀態(tài)發(fā)生變化，甚至在表面形成微裂紋，直接影響其使用壽命。因此，對(duì)于新開(kāi)發(fā)的低成本高性能熱軋700MPa級(jí)車廂板［9－10］而言，研究其耐磨性具有非常重要的意義。為此，作者通過(guò)常溫摩擦磨損試驗(yàn)研究了低成本高性能熱軋700MPa級(jí)車廂板的耐磨性能，并與其它3種不同強(qiáng)度級(jí)別鋼材進(jìn)行了對(duì)比，探討顯微組織、納米析出物及宏觀硬度對(duì)耐磨性的影響，為700MPa級(jí)車廂板的推廣應(yīng)用提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

A鋼和B鋼為國(guó)內(nèi)某鋼廠提供的熱軋板材，C鋼和700MPa級(jí)車廂板由東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的φ450mm二輥可逆熱軋機(jī)組軋制方坯獲得板材，4種鋼板的厚度均為10mm。表1列出了4種試驗(yàn)鋼的主要化學(xué)成分。C鋼與700MPa級(jí)車廂板的化學(xué)成分相同，均是在碳錳鋼基礎(chǔ)上適當(dāng)提高錳含量，復(fù)合添加微合金元素鈮和鈦，并充分運(yùn)用細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和相變強(qiáng)化等強(qiáng)化機(jī)制，獲得細(xì)小的組織形態(tài)和納米尺度析出物（Nb，Ti）C，其抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到780MPa級(jí)和700MPa級(jí)。試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能列于表2中。

在MG－2000型高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)各試驗(yàn)鋼進(jìn)行磨損試驗(yàn)。圖1給出銷試樣及盤試樣的尺寸。其中試驗(yàn)鋼為銷試樣，試樣需保證上下表面平行；對(duì)磨試樣（盤試樣）的材料為12CrMoV鋼，硬度為700HV10。首先，將銷試樣插入摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的上夾具中，對(duì)磨試樣通過(guò)中心兩個(gè)直徑為5mm的小孔固定在試驗(yàn)機(jī)下夾具上，調(diào)整上下夾具位置使銷試樣及對(duì)磨試樣接觸，加載后進(jìn)行磨損試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical compositions of test steels（mass）%

表2 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of test steels

采用失重法評(píng)價(jià)試驗(yàn)鋼的耐磨性。首先，將試樣在含丙酮溶液的KQ2200E型超聲波清洗器中清洗30min，去除表面的雜質(zhì)和油污，在Sartorius BS224S型電子分析天平上測(cè)定試樣初始質(zhì)量Ms；之后，將試樣放在磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行不同時(shí)間的磨損試驗(yàn)，載荷為100N，轉(zhuǎn)速為400r·min－1，試驗(yàn)過(guò)程中采用吹風(fēng)機(jī)吹風(fēng)防止試樣升溫；試驗(yàn)結(jié)束后再次用超聲波清洗器清洗試樣，在電子分析天平上測(cè)定磨損后質(zhì)量Mf；試驗(yàn)鋼的質(zhì)量損失ΔM＝Ms－Mf。利用FEI Quanta 600型掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)試驗(yàn)鋼的顯微組織和磨損表面進(jìn)行觀察，顯微組織觀察時(shí)所選用的試樣腐蝕劑為4%硝酸酒精溶液。采用FEI Tecnai G2F20型場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡觀察萃取碳復(fù)型試樣中的析出物，工作電壓取200kV。萃取碳復(fù)型試樣制備流程：試樣拋光后用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕出晶界→噴碳復(fù)膜（碳膜在肉眼下呈金黃色）→化學(xué)溶解脫膜（7%硝酸酒精溶液）→碳膜的撈取及處理（專用銅網(wǎng)）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可見(jiàn)，700MPa級(jí)車廂板的組織為鐵素體（F）和少量退化珠光體（P′）及晶界上析出的碳化物，鐵素體平均晶粒尺寸為6～7μm；A鋼的顯微組織為等軸鐵素體和片層珠光體（P），鐵素體平均晶粒尺寸為14～15μm；B鋼的顯微組織為多邊形鐵素體（PF）和粒狀貝氏體（GB），鐵素體平均晶粒尺寸為8～9μm；C鋼的顯微組織以貝氏體鐵素體為主，存在少量的先共析鐵素體（PF），在貝氏體鐵素體（BF）和鐵素體晶界上存在著條狀碳化物，貝氏體鐵素體平均寬度0.8μm，鐵素體平均晶粒尺寸為4～5μm。

2.2 磨損量

由圖3可見(jiàn)，隨著磨損時(shí)間的延長(zhǎng)，4種試驗(yàn)鋼的磨損量均逐漸增大。當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間在20min以內(nèi)時(shí)，磨損量增加速度較為緩慢，質(zhì)量損失均在30mg以下；當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間超過(guò)20min后，磨損量快速增大；當(dāng)磨損時(shí)間為40min時(shí)，A鋼、B鋼、700MPa級(jí)車廂板及C鋼的質(zhì)量損失分別為111.6，62.2，51.7，40.7mg。因此，A鋼的耐磨性能最差，B鋼和700MPa級(jí)車廂板居中，C鋼的耐磨性能最優(yōu)。

2.3 磨損形貌

由圖4，5可見(jiàn)，摩擦副滾動(dòng)方向與圖中磨削痕跡方向平行。A鋼和B鋼的磨損面非常粗糙，已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損脫落，磨損表面金屬呈塊狀或片狀逐層剝落，如圖5（a）和（b）中帶網(wǎng)格填充箭頭所示，且存在著大量犁溝，犁溝內(nèi)部存在大量的微裂紋，因此A鋼和B鋼呈現(xiàn)磨粒磨損和疲勞磨損的特征。C鋼磨損面相對(duì)光滑，磨損面出現(xiàn)大面積金屬剝落的區(qū)域很小，微觀形貌中只有部分區(qū)域出現(xiàn)微裂紋和犁溝，犁溝相對(duì)較窄而淺，因此C鋼以磨粒磨損的特征為主。700MPa級(jí)車廂板的磨損面上存在一定量的犁溝，且出現(xiàn)了一定程度金屬剝落，但相對(duì)A鋼和B鋼而言，其剝落程度相對(duì)較低，因此車廂板的磨粒磨損較A鋼和B鋼明顯，但是剝落層的尺寸和量相對(duì)較小。

在磨損過(guò)程中，試樣的磨損面向里一定厚度內(nèi)均發(fā)生不同程度的塑性變形，但變形層厚度有所不同。由圖6可見(jiàn)，A鋼和B鋼的表面塑性變形層厚度分別為50μm和45μm；700MPa級(jí)車廂板和C鋼的表面塑性變形層厚度分別為37μm和20μm。硬度大的試驗(yàn)鋼抵抗外力變形能力強(qiáng)，表面塑性變形層厚度小，因而塑性變形層的厚度與基體硬度呈反比關(guān)系。

此外，在A鋼和B鋼的表面塑性變形層中存在微裂紋（圖6中箭頭所指），尤其在A鋼中，裂紋沿著珠光體和鐵素體的相界面生長(zhǎng)，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至表面時(shí)，形成磨損碎片并脫落，導(dǎo)致質(zhì)量損失顯著增大。然而，在700MPa級(jí)車廂板和C鋼的表面變形層及亞變形層中，基本無(wú)裂紋存在，原晶界上的條狀或顆粒狀碳化物與基體結(jié)合良好，故磨損過(guò)程中金屬脫落的幾率相對(duì)較低，質(zhì)量損失較小。

2.4 磨損機(jī)理

材料的磨損性能受到基體硬度和組織中碳化物相的影響。在摩擦磨損過(guò)程中，第二相主要承受法向載荷，而基體則承受剪切應(yīng)力。軟相基體首先被磨削成溝槽，而第二相逐漸暴露出來(lái)，如果第二相過(guò)于粗大則會(huì)引起基體表面應(yīng)力集中，導(dǎo)致碳化物最終脫落。因此，基體中存在的較基體更硬且彌散分布在基體上的硬質(zhì)相能顯著提高材料的耐磨性［11］。另外，Kim等［12］研究認(rèn)為，析出相粒子越細(xì)、粒子間距越小，材料的耐磨性提高越明顯。

700MPa級(jí)車廂板較A鋼、B鋼具有更好耐磨性的原因歸納為三個(gè)方面：700MPa級(jí)車廂板的基體硬度明顯高于A鋼和B鋼的，可更好地抵抗外力壓入試樣表面，摩擦磨損過(guò)程中表面塑性變形層厚度小，金屬不易發(fā)生脫落；700MPa級(jí)車廂板基體中所含的碳化物多呈條狀或顆粒狀，與A鋼和B鋼的粗大碳化物（珠光體團(tuán)和貝氏體組織）相比，變形過(guò)程中不易發(fā)生應(yīng)力集中，碳化物與基體界面處無(wú)明顯的微裂紋形成，不會(huì)產(chǎn)生大面積的金屬脫落；700MPa級(jí)車廂板中含有的大量彌散的納米級(jí)析出物（Nb，Ti）C，尺寸多集中在20nm 以下（見(jiàn)圖7），在摩擦磨損過(guò)程中有效地改善了耐磨性。

C鋼組織中含有與700MPa級(jí)車廂板中類似彌散分布的納米尺度析出物，但其析出物尺寸多集中在10nm 以下［10］，因此 C鋼的耐磨性優(yōu)于700MPa級(jí)車廂板主要?dú)w因于其宏觀硬度高和組織中大量存在更為細(xì)小的納米析出物（Nb，Ti）C。

700MPa級(jí)車廂板和C鋼的基體和碳化物在反復(fù)磨損過(guò)程中逐漸脫落，不存在明顯的疲勞裂紋和大面積金屬脫落，質(zhì)量損失相對(duì)較小，因此其磨損機(jī)理以磨粒磨損為主［13］。A鋼和B鋼宏觀硬度較低，且存在大尺寸的珠光體團(tuán)和貝氏體組織，不但不能提高其磨損性能，反而容易在與基體的相界面形成微裂紋，隨著磨損時(shí)間增加，疲勞微裂紋大量出現(xiàn)并不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致金屬大片的剝落。因而A鋼和B鋼的磨損機(jī)理為粘著磨損和磨粒磨損。

3 結(jié) 論

（1）磨損 時(shí) 間 為40min時(shí)，A 鋼、B 鋼、700MPa級(jí)車廂板及C鋼的質(zhì)量損失分別為111.6，62.2，51.7，40.7mg，A 鋼的耐磨性能最差，B鋼和700MPa級(jí)車廂板居中，C鋼耐磨性能最優(yōu)。

（2）A鋼、B鋼、700MPa級(jí)車廂板、C鋼的表面塑性變形層厚度分別為50，45，37，20μm，變形層厚度與基體硬度呈反比關(guān)系。

（3）微裂紋易在鐵素體與珠光體或貝氏體相界面形核并擴(kuò)展；當(dāng)碳化物呈條狀或顆粒狀時(shí)，變形過(guò)程中不易發(fā)生應(yīng)力集中，碳化物與基體界面處無(wú)明顯微裂紋形成。

（4）700MPa級(jí)車廂板中納米尺度析出物（Nb，Ti）C可有效地提高其耐磨性，其磨損機(jī)理以磨粒磨損為主。

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