NM400耐磨鋼的沖蝕磨損與攪拌磨損特性研究

鄧 鋒，李 娜，吳開明，羅迪歐諾娃·伊琳娜

（1.武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北武漢，430081；2.武漢科技大學國際鋼鐵研究院，湖北武漢，430081；3.俄羅斯巴爾金中央黑色冶金研究院，俄羅斯莫斯科，105005）

NM400耐磨鋼的沖蝕磨損與攪拌磨損特性研究

鄧 鋒1，2，李 娜1，2，吳開明1，2，羅迪歐諾娃·伊琳娜3

（1.武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北武漢，430081；2.武漢科技大學國際鋼鐵研究院，湖北武漢，430081；3.俄羅斯巴爾金中央黑色冶金研究院，俄羅斯莫斯科，105005）

以NM400耐磨鋼板為研究對象，實驗模擬其在實際工況下的磨損方式，結(jié)合失重分析及磨損表面觀察，研究試驗材料在沖蝕磨損及攪拌磨損下的耐磨機理。結(jié)果表明，試驗鋼的組織主要為板條馬氏體及分布在板條上的碳化物顆粒；在大角度沖蝕磨損中，NM400耐磨鋼的磨損主要為塑性變形產(chǎn)生的沖蝕坑，且其在低沖擊壓力下表現(xiàn)出較好的耐磨性能；在攪拌磨損中，NM400耐磨鋼的磨損主要是微切削產(chǎn)生的犁溝。

耐磨鋼；NM400；沖蝕磨損；攪拌磨損；顯微組織；耐磨性能

低合金高強度耐磨鋼具有優(yōu)異的強韌性與耐磨性能，適用于冶金、軍工及機械加工等工況條件較為惡劣的領(lǐng)域［1-3］，其中NM400耐磨鋼由于成分工藝簡單、硬度高及強韌性好，同時具備良好的可焊性和可加工性，被廣泛用于礦山及工程機械用結(jié)構(gòu)鋼板或耐磨易損件的加工與制造［4-5］。由此可見，研究該耐磨材料在不同工況下的磨損方式及耐磨機理，對指導其在各種環(huán)境服役時綜合力學性能的匹配、延長機件的使用壽命有著重要意義［6-8］。目前，針對NM400耐磨鋼的磨損機理研究主要集中在滑動磨損方面，而對其在沖蝕和攪拌等工況下表現(xiàn)出的磨損特性探索還相對較少?；诖?，本文結(jié)合NM400耐磨鋼的實際服役環(huán)境，在實驗室條件下分別開展對其在沖蝕及攪拌磨損下的耐磨機理的研究。

1　試驗材料與方法

試驗材料為湖南華菱漣源鋼鐵有限公司生產(chǎn)的NM400耐磨鋼板，其化學成分如表1所示。NM400鋼板采用兩階段控制軋制工藝制得，最終板厚為6 mm。熱處理采用淬火+低溫回火工藝，首先在900～930℃奧氏體化溫度下保溫36 min后，水冷至室溫，隨后在250℃下保溫46 min后爐冷，出爐溫度低于100℃，其回火后的力學性能如表2所示。由表2可見，試驗鋼具有較好的強韌性匹配。

表1　NM400耐磨鋼的化學成分（wB/%）Table 1 Chemical compositions of NM400 wear-resistant steel

表2　NM400耐磨鋼的力學性能Table 2 Mechanical properties of NM400 wear-resistant steel

采用GP-1干式噴砂機在90°沖角下對試樣進行沖蝕磨損實驗，沖蝕磨料為60目棕剛玉；用懸臂式強力電動攪拌器進行攪拌磨損實驗，攪拌磨料為～15 mm的石英砂；利用TG328電子天平進行失重稱量，精度為0.1 mg；利用Olympus BM51型立式金相顯微鏡（OM）、JEM-2010 HT型透射電鏡（TEM）及Nova 400 Nano型掃描電鏡（SEM）觀察試樣的微觀組織及磨損表面形貌。

2　結(jié)果與分析

2.1顯微組織

NM400耐磨鋼熱處理后的顯微組織分別如圖1和圖2所示。由圖1可見，試驗鋼的顯微組織均勻，晶粒較為細小，主要由板條狀馬氏體及殘余奧氏體組成。由圖2可進一步看出，馬氏體板條呈束狀平行分布，寬度約為0.3μm，且板條內(nèi)部分布著大量的碳化物及析出顆粒。

圖1　NM400耐磨鋼的OM和SEM照片F(xiàn)ig.1 OM and SEM images of NM400 wear-resistant steel

圖2　NM400耐磨鋼的TEM照片F(xiàn)ig.2 TEM images of NM400 wear-resistant steel

2.2沖蝕磨損

不同沖擊壓力下NM400耐磨鋼磨損失重量隨時間的變化如圖3所示。由圖3可知，試驗鋼在不同實驗條件下，其磨損失重量隨時間的變化趨勢基本相似，均呈線性變化，這表明該試驗鋼的耐磨性能較為穩(wěn)定；當沖擊壓力較低時，試驗鋼的磨損失重量和磨損失重率均較小，而隨著沖擊壓力的增加，試驗鋼的磨損失重量及失重速率均顯著增加。

圖3　不同沖擊壓力下NM400耐磨鋼的磨損失重曲線Fig.3 Abrasion loss curves of NM400 wear-resistant steel under different impact pressures

不同沖擊壓力下NM400耐磨鋼的磨損形貌如圖4所示。從圖4中可以看出，當沖擊壓力為0.2 MPa時，試驗鋼磨損表面可觀察到較淺的沖擊凹坑、少量較淺的犁溝以及輕微的劃痕；當沖擊壓力升至0.6 MPa時，其磨損形式主要為沖蝕坑及微破壞區(qū)。

圖4　NM400耐磨鋼的沖蝕磨損表面形貌Fig.4 Surface morphologies of NM400 wear-resistant steel under erosion wear

在低沖擊壓力下，當磨料粒子垂直沖刷試樣表面時，其表面由于受到磨料粒子的尖端鑿磨和擠壓而發(fā)生變形，因此出現(xiàn)較淺的沖擊凹坑，而有些磨料粒子在此過程中受到散射，當散射的磨料粒子以小于90°的角度再次沖擊試樣表面時，這些粒子與試樣表面存在一個切應力，會造成表面刮擦進而產(chǎn)生較淺的劃痕和犁溝。這是因為NM400鋼具有較高的沖擊功，磨料粒子沖刷試樣表面時其沖擊能量被吸收，使得磨料粒子的沖擊應力低于材料的屈服強度，材料發(fā)生彈性形變，磨料粒子發(fā)生反彈散射；隨著沖擊壓力的提高，當高速高能量的磨料粒子垂直沖擊試樣表面時，磨料粒子嵌入表面產(chǎn)生應力集中，這使得試樣表面裂開并出現(xiàn)較深的沖擊凹坑，導致微區(qū)破壞的出現(xiàn)，甚至導致表面剝落區(qū)的出現(xiàn)，從而造成大且劇烈的磨損破壞，失重量相對較大。

由此可見，NM400耐磨鋼在低的沖擊壓力下會表現(xiàn)出較好的耐沖蝕磨損性能，且其耐沖蝕磨性能主要與材料的塑韌性有關(guān)。

2.3攪拌磨損

NM400耐磨鋼攪拌磨損失重量隨時間的變化如圖5所示。由圖5可知，在攪拌磨損實驗中，試驗鋼的失重量隨時間的延長呈線性增加，這表明試驗鋼耐攪拌磨損性能較為穩(wěn)定。

圖5　NM400耐磨鋼的攪拌磨損失重曲線Fig.5 Stirring abrasion loss curve of NM400 wear-resistant steel

攪拌磨損60 min后NM400耐磨鋼的表面形貌如圖6所示。從圖6中可以看出，試驗鋼中心區(qū)域的磨損表面有犁溝及切削痕跡存在，犁溝較淺，且表面部分區(qū)域發(fā)生了塑性變形，但未發(fā)現(xiàn)鑿坑（見圖6（a））；試樣邊緣區(qū)域磨損較為嚴重，可觀察到磨料的運動軌跡，切削痕跡較深較寬，且發(fā)生了嚴重的塑形變形（見圖6（b））。

圖6　NM400耐磨鋼的攪拌磨損表面形貌Fig.6 Surface morphologies of NM400 wear-resistant steel under stirring wear

這是由于高速旋轉(zhuǎn)的試樣與大顆粒石英砂磨料發(fā)生撞擊，金屬表面被磨料的尖角刮擦，進而產(chǎn)生了劃痕，經(jīng)過持續(xù)撞擊后，材料表面被一層層的刮起，使得劃痕不斷加深形成犁溝甚至溝槽，這個過程中材料失重相對較小。隨著攪拌的不斷進行，試樣旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切應力會切削材料表面，使其發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生微切削；此外，磨料尖端不斷刮擦材料表面，也會導致磨損出現(xiàn)的溝槽兩側(cè)或前端出現(xiàn)材料的堆積，而這些材料以及已經(jīng)受到嚴重塑性破壞的區(qū)域，會在試樣旋轉(zhuǎn)的過程中被磨料碾平，進而形成較大的失重。另一方面，試樣繞中心軸線轉(zhuǎn)動時，線速度從中心到邊緣逐漸增加，即石英砂磨料與試樣撞擊過程中的沖擊應力由中心到邊緣增加，材料橫向上因磨損產(chǎn)生的應力并不均勻，導致從中心到邊緣磨損的程度不一致，試驗鋼邊緣磨損更為嚴重，但均以切削機制為主。

由此可見，在攪拌磨損實驗中，NM400耐磨鋼的磨損機制主要為微切削，耐攪拌磨損性能與NM400鋼的硬度有關(guān)。

3　結(jié)　論

（1）NM400耐磨鋼在沖角為90°的沖蝕磨損中，磨損形式主要為塑性變形產(chǎn)生的沖擊坑及微變形區(qū)，且其在低沖擊壓力條件下表現(xiàn)出了較好的耐沖蝕磨損性能，這主要與耐磨材料的塑韌性有關(guān)。

（2）NM400耐磨鋼在攪拌磨損中，磨損形式主要為微切削產(chǎn)生的犁溝，其耐攪拌磨損性能主要與耐磨材料的硬度有關(guān)。

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［責任編輯 董 貞］

Erosion wear and stirring wear properties of NM400 wear-resistant steel

Deng Feng1，2，Li Na1，2，Wu Kaiming1，2，Rodionova Irina3
（1.State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；2.International Research Institute for Steel Technology，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；3.I.P.Bardin Central Research Institute for Ferrous Metallurgy，Moscow 105005，Russia）

With NM400 wear-resistant steel plate as the research object，the wear modes of the steel under actual working conditions were simulated by experiments.Through the analysis of abrasion loss and observation of worn surface morphologies，the wear mechanisms of NM400 wear-resistant steel under erosion wear and stirring wear were investigated.The results show that microstructure of the investigated steel is mainly lath martensites with carbides distributed on them.The erosion wear mode of NM400 steel is impact crater caused by plastic deformation at large impingement angle，and the investigated steel exhibits better wear resistance under low impact pressure.Besides，the stirring wear mode of NM400 steel is microplough caused by micro-cutting.

wear-resistant steel；NM400；erosion wear；stirring wear；microstructure；wear resistance

TG142

A

1674-3644（2016）05-0325-04

2016-03-07

湖北省科技支撐計劃（對外科技合作類）資助項目（2015BHE00815）.

鄧 鋒（1990-），男，武漢科技大學碩士生.E-mail:215270245@qq.com

吳開明（1966-），男，武漢科技大學教授，博士生導師.E-mail:wukaiming@wust.edu.cn