高Ti耐磨鋼TiC析出行為及耐磨機(jī)理研究

麻 衡，曹 陽

（山鋼股份萊蕪分公司技術(shù)中心，山東 濟(jì)南271104）

1 前言

材料磨損是導(dǎo)致材料失效的一種重要形式，大約占了全世界一次能源無用消耗的1/3［1］，磨損是導(dǎo)致很多設(shè)備和工件迅速失效的主要原因，嚴(yán)重阻礙了當(dāng)今社會(huì)的生產(chǎn)發(fā)展［2-3］，所以，如何使用現(xiàn)代技術(shù)來提高耐磨材料性能和提高易磨損件使用壽命是一個(gè)亟待解決和深入研究的課題。

碳化物顆粒增強(qiáng)的鐵基材料具有較高的強(qiáng)度、硬度以及優(yōu)異的耐磨性能，因此，碳化物顆粒增強(qiáng)型耐磨鋼也成為了研究的熱點(diǎn)［4-5］。TiC因其較高的熔點(diǎn)、硬度和強(qiáng)度、良好的熱穩(wěn)定性、良好的耐磨損性能、能與大多數(shù)金屬基體潤濕而受到廣泛地研究與關(guān)注，常用來制備高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨的鋼基、鐵基等金屬基復(fù)合材料［6-8］。Y.Chen等通過激光熔敷技術(shù)于奧氏體不銹鋼基材表面制備出原位自生TiC增強(qiáng)FeAl復(fù)合材料涂層，TiC/FeAl涂層在滑動(dòng)磨損試驗(yàn)條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能［9］。

當(dāng)前已開展了大量關(guān)于TiC增強(qiáng)型材料的研究，高Ti耐磨鋼在惡劣服役條件下的應(yīng)用研究也己經(jīng)開展，因而討論TiC作為硬質(zhì)強(qiáng)化相在耐磨鋼中的應(yīng)用與研究TiC增強(qiáng)型耐磨鋼在磨損條件下的磨損性能及磨損機(jī)理具有一定的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

2 試驗(yàn)材料及方法

結(jié)合傳統(tǒng)NM400鋼種成分，設(shè)計(jì)一種耐磨性能優(yōu)異的高Ti耐磨鋼NM400G，如表1所示。熔煉成分中Ti含量0.2%，C含量為0.21%，其他元素含量及控制水平基本與NM400保持一致。

表1 高Ti耐磨鋼NM400G成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）wt%

鋼坯加熱過程中，加熱參考時(shí)間按9～11 min/cm，出鋼溫度要求1 180±20℃，均熱時(shí)間≮40 min，鋼坯各點(diǎn)溫差≯30℃。軋制過程中，采用雙機(jī)架兩階段控軋工藝，精軋開軋溫度控制在900℃左右，15～30 mm厚度NM400G鋼板待溫厚度控制為2倍成品厚度，軋后不水冷。軋制后鋼板中析出相分布如圖1所示，經(jīng)過熱變形，沿晶界分布的TiC析出相在鋼板中呈扁球狀分布，沿軋向分布特征明顯。

圖1 軋制后鋼板中析出相分布

經(jīng)測定鋼種Ac3為864.92℃，選取鋼種淬火加熱溫度為910℃，回火溫度220℃。圖2為熱處理后高Ti耐磨鋼與常規(guī)耐磨鋼在金相和掃描電鏡下的組織對(duì)比，可以看出組織均為馬氏體板條，與常規(guī)耐磨鋼NM400組織對(duì)比，高Ti耐磨鋼馬氏體板條尺寸更加短小。

采用金相顯微鏡和Feature全自動(dòng)掃描電鏡析出相統(tǒng)計(jì)設(shè)備對(duì)高Ti耐磨鋼中析出相分布情況進(jìn)行分析，對(duì)不同厚度處的析出相數(shù)量和尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。采用EBSD和TEM進(jìn)行晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)，分析TiC析出對(duì)精煉尺寸的影響規(guī)律。

圖2 NM400與NM400G耐磨鋼微觀組織對(duì)比

磨損試驗(yàn)采用干砂/橡皮輪三體磨損試驗(yàn)機(jī)，分布從普通耐磨鋼NM400、30 mm厚高Ti耐磨鋼NM400G-30T和20 mm厚高Ti耐磨鋼NM400G-20T上取尺寸為10 mm×57 mm×25 mm的試樣，試樣均為板厚1/4處取樣，切好的試樣表面經(jīng)磨床加工，最終表面粗糙度1.6μm。每次磨損試驗(yàn)前、后均將樣品表面處理干凈，用精密天平稱重、記錄。本次試驗(yàn)分別在試驗(yàn)進(jìn)行5 min、10 min、15 min時(shí)對(duì)樣品稱重記錄。磨損試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min，砂粒尺寸為0.425 mm。

采用激光共聚焦顯微鏡對(duì)磨損試樣取照并進(jìn)行粗糙度統(tǒng)計(jì)，對(duì)磨損后形貌進(jìn)行掃描電鏡觀察分析，分析TiC析出相對(duì)耐磨性能的影響機(jī)理。

3 析出相分析

采用金相顯微鏡和Feature全自動(dòng)掃描電鏡析出相統(tǒng)計(jì)設(shè)備對(duì)高Ti耐磨鋼中析出相分布情況進(jìn)行分析，觀察高Ti鋼板不同厚度位置的析出相分布規(guī)律。NM400G鋼板不同厚度處的金相照片如圖3所示，發(fā)現(xiàn)不同厚度處均有析出相析出，近表面表現(xiàn)為細(xì)小且數(shù)量較多，1/4及芯部相比近表面析出相的尺寸均要大些。

圖3 30 mm厚NM400G鋼板不同厚度處析出相分布規(guī)律

析出相由近表到芯部的數(shù)量是由多到少，然后又增加，尺寸則是先增大而后減小，這與金相直接觀察的結(jié)果基本一致。分析析出相在近表面數(shù)量多且細(xì)小的原因是因?yàn)槲龀鱿嘣谀糖把匚龀?，鑄坯急冷過程中會(huì)在近表大量形核，從而在進(jìn)表面處細(xì)小均勻分布；1/4和1/2厚度處鑄坯的冷卻效果變差，析出相形核后有機(jī)會(huì)長大導(dǎo)致尺寸有所增大，且1/2厚度處中心等軸晶粒的形成可能會(huì)導(dǎo)致析出相數(shù)量減少。鋼板近表面處析出相尺寸小且數(shù)量多對(duì)提高鋼板表面的耐磨性能是有利的。

通過對(duì)小樣進(jìn)行電解腐蝕，觀察鋼板中析出相的形貌（見圖4），結(jié)合掃描電鏡和能譜分析發(fā)現(xiàn)析出相為TiC，TiC析出相一般有棒狀、邊部較為圓滑的球狀、橢圓狀等。

采用EBSD進(jìn)行晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)，如圖5所示，從圖中可以看出相比于常規(guī)NM400耐磨鋼，NM400G高Ti耐磨鋼晶粒尺寸明顯更加細(xì)小，晶粒尺寸在10μm以上的數(shù)量極少，極大多數(shù)的晶粒尺寸在4 μm以下，這對(duì)耐磨性的提高有利。

圖4 TiC析出相的掃描電鏡

采用透射電鏡對(duì)高Ti耐磨鋼組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖6所示，可以明顯看出常規(guī)耐磨鋼板條寬度為500 nm左右，高Ti耐磨鋼板條寬度為300 nm左右，分析是因?yàn)殇撝挟a(chǎn)生的納米析出相釘扎奧氏體晶界，加熱過程中阻礙奧氏體晶粒長大，因此淬火后形成的馬氏體板條也變得細(xì)小，細(xì)小的板條馬氏體組織有利于提高鋼板的耐磨性能。

圖5 NM400與NM400G鋼的晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)

圖6 NM400與NM400G鋼的馬氏體組織

采用透射電鏡對(duì)TiC析出相進(jìn)行了觀察，觀察結(jié)果如圖7所示，發(fā)現(xiàn)TiC顆粒一般位于板條內(nèi)部，且伴隨著大量位錯(cuò)的存在，可以顯著提高材料的力學(xué)性能，有利于材料耐磨性能的提升。

圖7 NM400G鋼的TEM形貌

4 耐磨性能評(píng)價(jià)

磨損失重測試結(jié)果如圖8所示，可以看出NM400鋼的耐磨失重為NM400G的1.32～1.37倍；30 mm和20 mm不同厚度的NM400G鋼板耐磨性能相差不大。

圖8 磨損失重統(tǒng)計(jì)

采用激光共聚焦顯微鏡對(duì)磨損試樣取照并進(jìn)行粗糙度統(tǒng)計(jì)，每個(gè)試樣取3個(gè)不同位置進(jìn)行測量，取平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見圖9。由圖9可知，NM400G鋼表面磨損后磨痕深度淺、粗糙度值低，說明磨損試驗(yàn)中材料損失程度低。NM400的粗糙度較大，體現(xiàn)在峰高的均值、峰尖銳程度、峰+谷的平均寬度、最大峰-最深谷高度均高于NM400G試樣，說明砂粒很容易對(duì)NM400進(jìn)行磨損，NM400材料對(duì)砂粒的阻礙能力相對(duì)較差。

圖9 試樣磨損表面的粗糙度統(tǒng)計(jì)

對(duì)磨損后形貌進(jìn)行掃描電鏡觀察分析，觀察結(jié)果如圖10所示，高Ti耐磨鋼NM400G的磨損形貌均為磨粒磨損，表現(xiàn)為金屬表面因塑性變形而出現(xiàn)較淺犁溝。有研究學(xué)者認(rèn)為［10］，材料硬度越大其表面磨損后形成的犁溝越淺耐磨性能就越好。較細(xì)的晶粒尺寸結(jié)合堅(jiān)硬的TiC粒子保證了基體較強(qiáng)的耐磨性，阻止磨損試驗(yàn)中干砂對(duì)基體更深的破壞，能較好地保護(hù)基體，提高了材料整體耐磨性。

圖10 NM400G試樣磨損后的SEM圖

對(duì)高Ti耐磨鋼拋光后的試樣采用顆粒直徑為0.013 mm的砂紙摩擦，摩擦墨痕見圖11，在金相照片中觀察發(fā)現(xiàn)，堅(jiān)硬的TiC顆粒能減少基體的磨損，表現(xiàn)為磨痕在TiC顆粒周圍減輕、間斷或消失。

圖11 NM400G摩擦試驗(yàn)金相組織

5 結(jié) 論

5.1 由于TiC在凝固前沿析出，析出過程與鋼液凝固過程基本一致，TiC在軋后鋼板厚度上的尺寸、數(shù)量分布情況為近表處TiC顆粒數(shù)量較多且尺寸細(xì)小，1/4厚度處TiC顆粒數(shù)量減少、尺寸增大，1/2厚度處TiC顆粒數(shù)量增加、尺寸又有所減小。小樣電解試驗(yàn)表明，TiC形貌有棒狀、粒狀、球狀。

5.2 高Ti鋼在軋制后，沿晶粒析出TiC有明顯的沿軋制方向拉長的趨勢，在鋼板中呈扁球狀分布。相比普通耐磨鋼，高Ti耐磨鋼晶粒尺寸明顯細(xì)小，大多數(shù)的晶粒尺寸在4μm以下，高Ti耐磨鋼板條寬度為300 nm左右，這與Ti發(fā)揮微合金元素的作用、形成納米析出相有關(guān)，納米析出相釘扎奧氏體晶界，阻礙奧氏體晶粒長大，淬火后形成的馬氏體板條也變得細(xì)小，對(duì)耐磨性的提高有利。

5.3 摩擦試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，磨痕在堅(jiān)硬的TiC顆粒周圍減輕、間斷或消失，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基體的保護(hù)，減少了基體材料的磨損情況；同時(shí)，較細(xì)的晶粒尺寸結(jié)合堅(jiān)硬的TiC粒子保證了基體較強(qiáng)的耐磨性，基體的破壞減少，材料整體耐磨性得到提高。NM400G相對(duì)耐磨性為NM400的1.32～1.37倍，不同厚度鋼板的NM400G鋼耐磨性相差不大。