新型燒結高鉻鑄鐵的沖擊磨粒磨損性能

盧瑞青，肖平安，宋建勇，顧景洪，張婷，李小英

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新型燒結高鉻鑄鐵的沖擊磨粒磨損性能

盧瑞青，肖平安，宋建勇，顧景洪，張婷，李小英

(湖南大學 材料科學與工程學院，長沙 410082)

本文對比研究了燒結、鑄造亞共晶高鉻鑄鐵和TM52鋼結硬質合金在不同沖擊功條件下的抗沖擊磨粒磨損性能，利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析磨損表面磨損形式及亞表層的微裂紋發(fā)展，開展磨損機制的分析探討。結果表明，采用液相燒結技術制備的高鉻鑄鐵具有優(yōu)異的抗沖擊磨粒磨損性能。燒結高鉻鑄鐵在中、低沖擊功條件下耐磨性能均明顯優(yōu)于TM52(4~10倍)，在中、高沖擊功工況下的耐磨性能相比鑄造高鉻鑄鐵提高10倍以上。燒結高鉻鑄鐵的磨損機制主要是顯微切削，當沖擊功高時還會發(fā)生疲勞剝落磨損和脆性碎裂。燒結高鉻鑄鐵中的短桿狀M7C3型碳化物對金屬基體的割裂和應力集中較小，而馬氏體為主的基體具有高強韌性，能夠有力地支撐和保持其中的碳化物均勻分散，阻滯微裂紋的萌生和擴展。

高鉻鑄鐵；燒結；沖擊；磨粒磨損；耐磨性能

高鉻鑄鐵作為一種廣泛應用的工業(yè)耐磨材料，其優(yōu)良的耐磨性能源于高硬度M7C3型碳化物(體積分數(shù)為20%~35%)分布在基體中，同時，基體具有高強度和硬度[1?3]。目前高鉻鑄鐵生產(chǎn)基本采用鑄造方法，其顯微組織存在基體金屬晶粒與碳化物尺寸粗大和碳化物形態(tài)不理想的突出問題。尤其是立體形態(tài)為云耳狀、具有連續(xù)尖銳邊沿的M7C3型碳化物對基體造成了嚴重割裂，導致其強度和沖擊韌性偏低，不但限制了其優(yōu)異耐磨性能的充分發(fā)揮，而且難以滿足在沖擊磨粒磨損等苛刻工況下對力學性能的要求[4?5]。許多研究報道了高鉻鑄鐵通過熱處理、變質處理等方法對力學性能進行改進，但是效果都不太理想，因此，研發(fā)新型耐磨粒磨損材料具有重要的經(jīng)濟價值和實用價值[6?10]。將粉末冶金工藝應用于高鉻鑄鐵制備，由于能夠提供獨特的材料顯微組織熱力學生長條件，已制備出了具有高綜合力學性能的合金[11]；在這種新型合金中不僅基體晶粒得到明顯細化，而且碳化物尺寸細小、分布均勻并具有較理想的立體形態(tài)—短桿狀，使得基體被嚴重割裂的問題得到有效解決[12?13]，而目前對中高等沖擊功下高鉻鑄鐵抗沖擊磨粒磨損規(guī)律和磨損機理的研究很少。因此，本文圍繞燒結高鉻鑄鐵在不同沖擊功條件下的抗沖擊磨粒磨損性能和耐磨行為開展系統(tǒng)實驗研究，探究其磨損機制。作為對比，選擇鑄造高鉻鑄鐵和TiC基高錳鋼結合金一起開展試驗，為沖擊磨粒磨損工況下的優(yōu)化選材建立實驗基礎。

1 實驗

實驗使用的燒結高鉻鑄鐵(SHCCI)由所在實驗室通過液相燒結制備。對比使用的鑄造高鉻鑄鐵(CHCCI)和TM52高錳鋼結合金均由生產(chǎn)企業(yè)提供，其中的鑄造高鉻鑄鐵的成分與前述燒結高鉻鑄鐵基本相同。實驗選用的高鉻鑄鐵和TM52沒有進行熱處理，主要成分分別如表1和表2所列。

表1 高鉻鑄鐵合金成分

表2 TiC基高錳鋼結合金成分

三種實驗用耐磨材料的顯微組織如圖1所示。在圖1(a)的燒結高鉻鑄鐵中基體晶粒細小，白色M7C3碳化物呈短桿狀比較均勻地分布在晶界上。而在成分相近的鑄造高鉻鑄鐵(圖(b))中碳化物粗大，邊緣棱角銳利，對基體割裂嚴重。TM52(圖(c))的顯微組織由較均勻分布的灰色硬質相TiC顆粒和白色高錳鋼基體構成，但硬質相顆粒間存在相互連接搭橋的現(xiàn)象。

根據(jù)阿基米德原理測量材料密度。三種材料的樣品通過線切割和表面磨削加工出5 mm×5 mm×50 mm的標準試樣，在XJ?40A型沖擊試驗機進行沖擊韌性實驗；通過線切割和表面磨削加工出5 mm×5 mm×35 mm的標準試樣，在Instron3369材料力學試驗機上進行抗彎強度測量，實驗數(shù)據(jù)均取3次測量的平均值。采用HR?150A型全洛氏硬度計測量材料硬度，實驗數(shù)據(jù)取5次測量值的平均值。結果如表3所列。對比可見，燒結高鉻鑄鐵不僅強度遠高于相同成分的鑄造高鉻鑄鐵、硬度接近TM52，而且沖擊韌性突出。具有更加突出的綜合力學性能。

圖1 高鉻鑄鐵和TM52的顯微組織

(a) SHCCI; (b) CHCCI; (c) TM52

表3 高鉻鑄鐵和TM52的物理和力學性能

沖擊磨粒磨損試驗在MLD?10型動載磨粒磨損機上進行。沖擊功在1~4 J/cm2范圍內進行調整；磨粒材料選擇粒度為16目的棕剛玉，磨粒流速為15 kg/h。沖擊磨粒磨損標準試樣的尺寸為10 mm×10 mm×30 mm，通過線切割和表面磨削加工而成。實驗中試樣的沖擊頻率為200次/min，與之碰撞的鋼制圓環(huán)的材料為GCr15，硬度HRC 62~64，轉速200 r/min。實驗時通過調整沖頭的上、下位置來獲得不同的沖擊功條件。每個試樣共進行60 min的沖擊磨損實驗：首先使用精度為0.1 mg的電子天平對初始態(tài)的試樣進行稱量，然后在每試驗10 min后停機取下試樣，先用酒精進行超聲波洗滌，烘干后再次稱量其質量。通過前后兩次質量的差值(可進一步換算成體積磨損)來獲得其磨損量，并通過在整個60 min實驗過程中試樣的磨損量變化曲線和磨損總量來評價材料的耐磨性能。

采用FEIQUANTA200型環(huán)境掃描電鏡對試樣的磨損面及其亞表層開展觀察和分析，以探究實驗材料的實際磨損類型以及相應的磨損機制。

2 結果與討論

2.1 抗沖擊磨粒磨損性能及分析

圖2為由實驗獲得的燒結與鑄造高鉻鑄鐵和TM52的磨損量與沖擊功大小和磨損時間的關系曲線(實驗模擬實際工況，結果為每10 min單次動載沖擊磨損量)。由圖可見三種材料的耐磨性能存在明顯 差別。

在1 J/cm2和2 J/cm2的低、中級沖擊功工況下，燒結高鉻鑄鐵的磨損行為平穩(wěn)，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖擊磨粒磨損性能。在較高沖擊功(≥3 J/cm2)工況下其磨損曲線發(fā)生明顯的周期性波動變化，磨損量增大；表明在其磨損面及相鄰的亞表層內可能規(guī)律性地發(fā)生了裂紋的萌生→擴展→交集，造成周期性的掉塊現(xiàn)象，使得磨損量形成峰、谷波動變化規(guī)律。

圖2 實驗耐磨材料的質量磨損量和時間的關系

(a) SHCCI; (b) CHCCI; (c) TM52

鑄造高鉻鑄鐵在1 J/cm2的低沖擊功工況下磨損量小而穩(wěn)定，具有良好的耐磨性。但是當沖擊功≥2 J/cm2后很快發(fā)生嚴重的掉邊、掉角和崩裂現(xiàn)象，使得60 min的磨損實驗難以全部完成。

鑄造高鉻鑄鐵中金屬基體的割裂和應力集中程度很高，在較大沖擊載荷(沖擊功＞1 J/cm2)的疊加作用下易發(fā)生快速和廣泛的裂紋生長→擴展→交集，使得磨損沖擊部位很快發(fā)生嚴重的掉塊和崩裂現(xiàn)象。因此，不適合使用于較高沖擊功的磨粒磨損工況。

與燒結和鑄造高鉻鑄鐵不同，1 J/cm2的低沖擊功狀態(tài)下TM52不僅質量磨損量最高，而且波動變化也大，耐磨性能較差；不過，隨沖擊功增大，TM52的質量磨損量反而逐步減小，磨損量的波動逐漸收窄，耐磨性能越來越好。

TM52是一種TiC基高錳鋼結合金，其TiC硬質相的顆粒體積分數(shù)高達60%以上，起著主要的耐磨和抗磨作用，而粘接金屬為高錳鋼。有研究報道了犁削磨粒磨損條件下基體對耐磨性的影響，認為馬氏體等強硬的基體可以降低向碳化物傳遞的力，減小其斷裂幾率并使之獲得更好的支撐，從而使得材料具有更佳的耐磨性[14]。由于高錳鋼基體必須在高沖擊功條件下才能夠得到有效地硬化，因此，在低沖擊功工況下TM52的抗沖擊磨粒磨損性能差；隨沖擊功增大，基體變得越來越強硬，TiC顆粒獲得了基體越來越好的支撐和保護。所以，其耐磨性也逐步提高。

由于三種實驗耐磨材料的密度有差異，為更準確地對比它們的耐磨性能，進一步采用體積磨損量對三種耐磨材料的性能開展評價。圖3為三種合金平均每10 min的體積磨損量與沖擊功之間的關系曲線，表4為與之相對應的實驗數(shù)據(jù)換算結果。從圖3中可以看出，隨沖擊功增大，鑄造高鉻鑄鐵的體積磨損量呈拋物線的規(guī)律顯著快速增大，而燒結高鉻鑄鐵和TM52的磨損量均以很小斜率的直線方式平穩(wěn)地改變，特別是TM52的磨損量是隨沖擊功增加反而有所降低。不過，燒結高鉻鑄鐵和TM52的體積磨損量的絕對值都不大，相互差異也較小，均具備優(yōu)良的抗沖擊磨粒磨損性能。

圖3 實驗耐磨材料平均每10 min體積磨損量和沖擊功的關系

此外，由表4中三種材料的體積磨損量比值可以看出，當沖擊功≥2 J/cm2后鑄造高鉻鑄鐵與燒結高鉻鑄鐵的比值均＞10，與TM52的比值均＞4，說明其抗沖擊磨粒磨損性能最差。當沖擊功≤2 J/cm2時TM52的體積磨損量是燒結高鉻鑄鐵的4~10倍；當沖擊功≥2 J/cm2后二者的磨損量在相同數(shù)量級，且燒結高鉻鑄鐵稍好。再考慮到燒結高鉻鑄鐵的生產(chǎn)成本僅約為TM52 的二分之一，因此，它是一種性價比突出的優(yōu)異抗沖擊磨粒磨損材料。

表4 高鉻鑄鐵和TM52的體積磨損量(10?3 cm3·10 min?1)

2.2 高鉻鑄鐵和TM52沖擊磨粒磨損亞表層分析

由圖3中的實驗結果推斷出，試樣的磨損量發(fā)生大幅波動是因為磨損表面產(chǎn)生了周期性的脫落或者崩碎。因此，磨損面的亞表層中應該會存在微裂紋形成、擴展和交集等現(xiàn)象。為印證這種推斷和揭示磨損行為，對磨損面的亞表層進行觀察和分析。

根據(jù)圖3中的實驗結果，選擇3 J/cm2沖擊功條件下的燒結和鑄造高鉻鑄鐵磨損試樣及1 J/cm2沖擊功工況下的TM52磨損試樣進行亞表層分析。圖4為三種材料沖擊磨粒磨損亞表層的掃描電鏡照片，其中右圖為左圖的局部放大。

從圖4(a)可以看出，在燒結高鉻鑄鐵試樣的亞表層存在少量微裂紋，裂紋既可產(chǎn)生于碳化物與基體的界面上，也可形成于碳化物之中；同時，還可以看到一些微觀缺陷，它們也容易引起應力集中，導致裂紋萌生。從圖4(b)可以看出，碳化物有兩種失效方式。一種是碎裂脫落，并且碳化物碎裂形成的微裂紋可在基體中持續(xù)發(fā)展，使得強硬的基體也碎裂脫落。另一種失效方式是微裂紋沿碳化物與基體的界面擴展，導致碳化物在薄弱處斷裂脫落，失去對基體的保護作用。之后，基體易發(fā)生嚴重的塑性變形和犁削，從而導致切削和疲勞磨損。沖擊磨粒磨損質量損失突增主要源于磨損表面剝落，而剝落又主要產(chǎn)生于表面硬化層及其相連的亞表層；當變形量達到極值時引發(fā)微裂紋萌生，裂紋擴展和交集導致剝落[15]。

圖4 高鉻鑄鐵和TM52沖擊磨粒磨損亞表層形貌

(a), (b) SHCCI; (c), (d) CHCCI; (e), (f) TM52

從圖4(c)可以看出，在鑄造高鉻鑄鐵的亞表層中微裂紋的數(shù)目明顯多于燒結高鉻鑄鐵，并且裂紋的擴展比較顯著；圖4(d)進一步顯示在基體和碳化物之間開裂十分嚴重。在鑄造高鉻鑄鐵中由于粗大、邊緣銳利碳化物對基體產(chǎn)生的割裂和應力集中程度很高，在外界載荷作用下很容易引發(fā)裂紋的大量萌生，而合金的基體強度和硬度相對較低，裂紋擴展阻力小、速度快。因此，其在高沖擊功工況下磨損面產(chǎn)生大量掉塊，磨損量迅速增大。

從圖4(e)可以看出，在低沖擊功工況下TM52的亞表層中既存在沿硬質相/基體界面曲折擴展的粗大裂紋和穿越硬質相與基體發(fā)展的微裂紋，還有硬質相從基體中脫落的現(xiàn)象。表明在此工況下裂紋擴展阻力小，基體對硬質相顆粒的把持力差。圖4(f)的高倍掃描電鏡照片清楚顯示在不少TiC顆粒中形成了貫穿性的微裂紋，而且在某些相互連接的硬質相之間微裂紋發(fā)生了連續(xù)性擴展。這再次證明在TiC基高錳鋼結合金中裂紋優(yōu)先在硬質相顆粒中形成，并容易在其內部快速擴展[16]。為抑制由于這類微裂紋快速擴展導致的合金耐磨性下降，一方面應防止硬質相顆粒相互連接，生成環(huán)形結構，因為環(huán)形結構是裂紋擴展的快速通道；另一方面需要提高金屬基體的強韌性，使得裂紋搭橋擴展的能量閥值提高。

因此，在低、中等級沖擊功工況下由于TM52的高錳鋼基體得不到有效硬化，既無法對硬質相顆粒提供強的把持力，又難以有效阻礙微裂紋在其中快速擴展。表現(xiàn)出較差的抗沖擊磨粒磨損性能。

2.3 沖擊磨粒磨損磨損面的磨損形式觀察對比

圖5(a)~(c) 為在的低沖擊功(1 J/cm2)工況下三種實驗材料的磨損面形貌SEM 照片。從圖中可以看出磨損形式均為切削磨損，磨粒在磨損面上短程滑動，切削磨損面產(chǎn)生犁溝。相對而言，TM52的磨損面沒有發(fā)生明顯的塑性變形，但是犁溝相對更深、更長，還有一些崩碎或者崩掉的硬質相顆粒脫落于磨損面上，并有少量鑿坑，磨損更加嚴重，這與表4中的實驗結果相符。

圖5 不同沖擊功狀態(tài)下高鉻鑄鐵和TM52磨粒磨損表面微觀形貌

(a), (d) SHCCI; (b), (e) CHCCI; (e), (f) TM52

如圖5(d)~(f)所示，在較高的沖擊功(3 J/cm2)工況下鑄造高鉻鑄鐵的磨損面不僅切削磨損十分嚴重，犁溝變寬變深，而且可以觀察到清晰的裂紋。說明發(fā)生了脆性破碎或者疲勞剝落磨損，合金的耐磨性能顯著惡化。燒結高鉻鑄鐵在此種工況下主要的磨損形式仍然是顯微切削，犁溝也明顯變寬變深，由于塑韌不足，伴隨有少量脆性破碎或者疲勞剝落，耐磨性降低。而TM52在此工況下由于金屬基體得到了顯著硬化，磨損主要為顯微切削，伴隨小的鑿坑，磨損面變得更 平整。

3 結論

1) 燒結亞共晶高鉻鑄鐵具有優(yōu)異的耐沖擊磨粒磨損性能，是一種具有高性價比的耐磨材料。在中、高等級沖擊功條件下其耐磨性遠優(yōu)于鑄造高鉻鑄鐵，在低、中等級沖擊功條件下耐磨性明顯優(yōu)于TM52。

2) 燒結亞共晶高鉻鑄鐵的沖擊磨粒磨損機制包括短程顯微切削、疲勞剝落和脆性碎裂，以顯微切削為主，在高沖擊功條件下會出現(xiàn)發(fā)生少量疲勞剝落和脆性碎裂。而馬氏體為主的金屬基體能夠對碳化物提供強的支撐和把持力，使得其能夠有效阻滯微裂紋的生成與快速擴展，從而具有優(yōu)異的抗沖擊磨粒磨損 性能。

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(編輯 高海燕)

Impact abrasive wear resistance of a new type of sintered high chromium cast iron

LU Ruiqing, XIAO Ping’an, SONG Jianyong, GU Jinghong, ZHANG Ting, LI Xiaoying

(College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

The wear resistance of sintered, cast hypereutectic high chromium cast iron and TM52 steel bonded carbide under different impact energy conditions were compared. The development of the wear surface and the micro-crack of the sub-surface were analyzed by scanning electron microscopy (SEM). The wear mechanism was also discussed. The results show that the high chromium cast iron prepared by liquid phase sintering has excellent impact abrasive wear resistance. Under the medium and low impact energy conditions, the wear resistance of sintered high chromium cast iron is significantly better than that of TM52 (4 to 10 times).Under the medium and high impact work conditions, the wear resistance increases more than 10 times compared to that of casting high chromium cast iron. The wear mechanism of sintered high chromium cast iron is mainly micro-cutting, as well as fatigue wear and brittle fragmentation under the high-energy impact work. The short rod-like M7C3-type carbides in sintered high chromium cast iron yield small split and stress concentration on metal matrix, while the martensite-based matrix with high strength and toughness, can effectively support and maintain a uniform dispersion of carbides and block micro-cracks initiation and expansion.

high chromium cast iron; sintering; impact; abrasive wear; wear resistance

TF125

A

1673-0224(2018)01-70-08

國家自然科學基金資助項目(51574119)

2017?07?27；

2017?09?30

肖平安，教授，博士。電話：13873182725；E-mail: changcluj@163.com