（机械设计及理论专业论文）70钢深度拉伸塑性变形组织及耐磨性研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 7 0 钢深度拉伸塑性变形组织及耐磨性研究 专业：机械设计及理论 硕士生：刘文刚 指导教师：许云华教授 摘要 本文利用f e s e m 、s e m 等测试技术，通过对7 0 钢深度拉伸塑性变形及退火 处理过程中的组织及耐磨性进行分析，系统研究了( 1 ) 深度拉伸塑性变形及退火 处理对7 0 钢机械性能的影响；( 2 ) 深度拉伸塑性变形及退火处理对7 0 钢显微组 织的影响；( 3 ) 7 0 钢深度拉伸塑性变形强化机制；( 4 ) 深度拉伸塑性变形7 0 钢磨 ，料磨损性能；( 5 ) 深度拉伸塑性变形7 0 钢耐磨机理。 研究结果表明，塑性变形可以大幅提高7 0 钢的抗拉强度和显微硬度，抗拉强 度、显微硬度与7 0 钢应变量之间呈线性关系；随着退火温度的升高，7 0 钢的抗拉 强度、显微硬度先提高后降低。 在7 0 钢深度拉伸塑性变形过程中，7 0 钢的组织逐步细化，珠光体片间距不 断减小，珠光体团发生转动、取向逐渐与拉伸轴方向趋于一致，渗碳体片经历了 剪切、弯曲、拉伸等塑性变形从而碎化、细化：变形量较大时，渗碳体发生大量 溶解。低温退火处理时，冷拉钢丝的组织未发生大的变化，组织更加均匀化，渗 碳体溶解量增多。退火温度升高时，渗碳体以颗粒状析出并随退火温度的升高而 逐渐长大，铁素体基体晶粒也随退火温度的升高而长大，6 8 0 。c 再结晶退火后，转 变为片层状珠光体组织。 在氧化铝和石英磨料磨损工况下，深度塑性变形可以少量提高7 0 钢的耐磨性。 随着退火温度的升高，冷拉7 0 钢的耐磨性先提高后降低，各试样的磨损量差别不 大。 在玻璃磨料磨损工况下，深度塑性变形可以有效地提高7 0 钢的耐磨性，应变 量达到3 5 8 时7 0 钢的耐磨性提高6 倍以上。随着退火温度的升高，冷拉7 0 钢的 耐磨性也呈现先提高后降低的趋势。此时，不同退火温度试样的磨损量相差很大。 在氧化铝和石英磨料磨损工况下，不同应变量的冷拉7 0 钢磨损机理均以显微 切削和微观犁沟为主，不同温度下退火的冷拉7 0 钢磨损机理均以显微切削和微观 犁沟为主；在玻璃磨料磨损工况下，小变形7 0 钢的磨损机理以显微切削和微观犁 沟为主，大变形7 0 钢的磨损机理以低周期疲劳磨损为主。低温退火冷拉7 0 钢的 西安建筑科技大学硕士学位论文 磨损机理以低周期疲劳磨损为主：而高温退火冷拉7 0 钢的磨损机理以显微切削和 微观犁沟为主。 关键词： 论文类型： 深度拉伸塑性变形退火处理7 0 钢组织演变磨料磨损耐磨性 磨损机理 应用基础 西安建筑科技大学硕士学位论文 e f f e c to fd e e pd r a w i n gp l a s t i cd e f o r m a t i o na n da n n e a l i n g 7 妇a t m e n to nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d 胁a rr e s i s t a n c eo f7 0 s t e e l s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e ：l i u w e n g a n g i n s t r u c t o r ：p r o f x uy u n h u a a b s t r a c t m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o na n dw e a l - r e s i s t a n c et r a n s f o n ni nt h ec o u r s eo fd e 印 d r a w i n gp l a s t i cd e f o r m a t i o na n da n n e a lt r e a t m e n to fo 7 cs t e e lw e r es t u d i e dt h r o u g h f e s e ma n ds e mt e s t i n gm e t h o d s t h ei n v e s t i g a t i o ni n v o l v e s ：( 1 ) e f f e c to fd e e p d r a w i n gp l a s t i cd e f o r m a t i o na n da n n e a lt r e a t m e n to nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fo 7 c s t e e l ；( 2 ) e f f e c to fd e e pd r a w i n gp l a s t i cd e f o r m a t i o na n d a n n e a lt r e a t m e n to n m i c r o s t r u c t u r eo f 0 7 cs t e e l ；( 3 ) t h es t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mo f d e e pd r a w i n gp l a s t i c d e f o r m a t i o na n dl o w e rt e m p e r a t u r ea n n e a lt r e a t m e n to fo 7 cs t e e l ；( 4 ) e f f e c to fd e e p d r a w i n gp l a s t i cd e f o r m a t i o na n da n n e a lt r e a t m e n to na b r a s i v ew e a l r e s i s t a n c eo fo 7 c s t e e l ；( 5 ) t h ew e a l m e c h a n i s mo fo 7 c s t e e lb ym e a n so fd e e pd r a w i n gp l a s t i c d e f o r m a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et e n s i l es t r e n g t ha n dt h em i c r o h a r d n e s so f0 7 cs t e e l i n c r e a s eg r a d u a l l yw i t ht h ei n c r e a s eo fd e f o r m a t i o na n ds h o wal i n e a rr e l a t i o n s h i pw i m t h es t r a i n w i t ht h er i s eo fa n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ，t h et e n s i l es t r e n g t ha n dt h e m i c r o - h a r d n e s so f 0 7 cs t e e li n c r e a s ea tf i r s t ，a n dt h e n r e d u c eg r a d u a l l y d u r i n gt h ep r o c e s so fd e e pp l a s t i cd e f o r m a t i o n ，t h em i c r o s t r u c t u r eo fo 7 cs t e e l c a nb er e f i n e dg r a d u a l l y s p a c eb e t w e e nt h ep e a r l i t es l i c e sr e d u c e sb yd e g r e e s t h e p e a r l i t eg r o u p sr o t a t ea n dt r o p i s m so ft h ep e a r l i t et e n dt ob ec o n s i s t e n tw i t l lt h e d i r e c t i o no ft h ed r a w i n ga x i s c e m e n t i t e p l a t e s a r eb r o k e na n dr e f i n e da f t e r d e f o r m a t i o n so fc u t ，b e n da n dd r a w ，a n dt h ed i s s o l u t i o no fc e m e n t i t eo c c u r sh e a v i l y w i mt h es e v e r ed e f o r m a t i o n o nt h ec o n d i t i o no fl o wa n n e a l i n gt e m p e r a t u r e t h e m i c r o s t r u c t u r eo fc o l dd r a w i n gs t e e lw i r ec h a n g e sl i t t l e ，t h em i c r o s t r u c t u r ei sm o r e w e l l - p r o p o r t i o n e d ，a n dt h ed i s s o l u t i o na m o u n to fc e m e n t i t ei n c r e a s e s w h e nt h e a n n e a l i n gt e m p e r a t u r er i s e s ，c e m e n t i t ep r e c i p i t a t ea sp a r t i c l e s ，a n dt h eg r a i ns i z eg r o w s u pw i t ht h er i s eo ft h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ，a sw e l la st h eg r a i ns i z eo ff e r r i t e t h e m i c r o s t r u c t u r eo fo 7 cs t e e lt r a n s f o r m st op e a r l i t ea f t e rr e c r y s t a l l i z a t i o na n n e a l i n ga t 1 1 1 西安建筑科技大学硕士学位论文 t h et e m p e r a t u r eo f6 8 0 c w e a rr e s i s t a n c eo f0 7 cs t e e lc a r lb ei m p r o v e dp a r t l yb ym e a n so fd e e pp l a s t i c d e f o r m a t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o no fa b r a s i v ew e a rb yu s i n ga l u m i n i u mo x i d ea n dq u a r t z t h ew e a rr e s i s t a n c eo f0 7 cs t e e l i n c r e a s e sf i r s ta n dt h e nr e d u c e sw i t ht h er i s eo f a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ，a n dw e a rl o s s e so fs a m p l e sa r es i m i l a r b yu s i n gt h ea b r a s i v eo f g l a s s ，w e a rr e s i s t a n c eo f t h es t e e lc a nb ei m p r o v e dg r e a t l y 讪t ht h ei n c r e a s eo fs t r a i n w e a rr e s i s t a n c ec a nb ee n h a n c e do v e r6t i m e sw h e nt h e s t r a i na m o u n tr e a c h e s3 5 8 t h ew e a rr e s i s t a n c eo f0 7 cs t e e la l s oi n c r e a s e sf i r s ta n d t h e nr e d u c e sw i t ht h er i s eo f a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ，b u tt h ed i f f e r e n c eo f w e a rl o s s e sa r e r e m a r k a b l e m i c r o - c u t t i n ga n dm i c r o p l o u g h i n ga r e t h em a i nw e a rm e c h a n i s m so fa l ls a m p l e si n t h ew o r kc o n d i t i o no fa l u m i n i u mo x i d ea n dq u a r t z b yu s i n gt h ea b r a s i v eo fg l a s s ，t h e w e a rm e c h a n i s mo f 0 7 cs t e e lc h a n g e sf r o m m i c r o c u t t i n ga n dp l o u g h i n gt ol o wc y c l e f a t i g u ew i t ht h eg r o w t ho fp l a s t i cd e f o r m a t i o n w h e ni nt h el o wa n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ， l o wc y c l ef a t i g u ew e a l i st h em a i nw e a rm e c h a n i s m ，w h i l ei nt h eh i g ha n n e a l i n g t e m p e r a t u r e ，m i c r o c u t t i n ga n dp l o u g h i n gi st h em a i n w e a rm e c h a n i s m k e y w o r d s ：d e e pd r a w i n gp l a s t i cd e f o r m a t i o n ；a n n e a l i n gt r e a t m e n t ；0 7 cs t e e l ； m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o n ；a b r a s i v ew e a r ；w e a rr e s i s t a n c e ；w e a rm e c h a n i s m d i s s e r t a t i o nt y p e ：a p p l i c a t i o nf o u n d a t i o n i v ， 西安建筑科技大学硕士学位论文 主要符号表 真应变 屈服强度 晶粒直径 流变应力 h m 磨损试验材料硬度 h a 磨料硬度 k 一切削磨料磨损系数 v 一切削磨损材料的体积迁移量 如 磨沟体积中磨屑的比率 t i i m 磨损表层的极限应变下的剪切强度 w 材料的耐磨性 v 三，q p 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 敝作者虢刨支刚 吼彬觚 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文储虢曲i 谰j 导师签名：许易华日期洲，g 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 摩擦与磨损广泛的存在于社会生产和人民生活中。据不完全统计，世界能源 的1 3 1 2 消耗于摩擦，而机械零件8 0 的失效原因是磨损 1 l 。磨损对国民经济造 成的损失也是相当惊人的。据估计，仅磨粒磨损每年就使工业国家损失国民生产 总值的1 , - 4 ，磨粒磨损在整个磨损中占5 0 ，那么磨损给工业国家带来的损失可 达国民生产总值的2 8 t 2 1 。由于磨损造成的经济损失极其巨大，利用当今材料科 学的最新成果，大力提高材料的耐磨性、制备新型高耐磨材料可以得到极大的经 济效益和社会效益。 1 1 抗磨技术研究现状及发展水平 1 1 1 传统材料的合金化及热处理强化 ， ( 一) 耐磨合金钢 量大面广的碳素钢价格低廉，机械性能良好，因而广泛的应用于国民经济的 各个部门。但是普通碳素钢的耐磨性很难令人满意，通过向碳素钢中加入少量铬、 锰、硅、钼、镍等合金元素形成多元低合金钢，可以得到优良的综合机械性能和 耐磨性，广泛地用于制造耐磨件。加入合金元素的目的是提高钢的淬透性，通常 通过淬火处理成马氏体组织状态使用，我国的一些耐磨钢中还加入了稀土和硼等 元素，提高了钢的淬透性，改善了钢的组织，机械性能和耐磨一i 生1 3 。根据耐磨合金 钢的碳含量及合金含量的不同列于表1 1 f 表中首列右上角数字的意义：1 一低碳低 合金钢，2 _ f 氐碳中合金耐磨钢，3 一低碳高合金钢) 、表1 2 和表1 3 【4 j 。从表1 1 、表 1 2 、表1 3 中可以看出，各类耐磨合金钢通过调整化学成分和热处理均能达到较理 想的强度和韧性。 我国低合金最初就用于制作承受一定冲击载荷的耐磨件，比如挖掘机的斗齿、 球磨机的衬板、破碎机的鄂板等等。许多研究者通过成分优化和热处理工艺优化， 提高了低合金钢的耐磨性能，扩展了低合金钢的应用领域1 5 ”。在耐磨合金钢中， 除水淬马氏体钢和油淬马氏体钢之外，多元低合金空淬马氏体( 贝氏体) 耐磨钢是 耐磨合金钢中的一个新的重要分支，特点是热处理简单，热处理后铸件应力较小， 使用中安全不易断裂，适于冲击磨损。但以多元合金化来提高淬透性，须考虑合金 价格。清华大学方鸿生教授领导的“国家科委贝氏体钢研究及推广中心”，多年来在 m n 2 b 系空冷贝氏体耐磨钢方面做出了开创性工作。无碳化物贝氏体马氏体复相组 织耐磨锻钢球，以s i 作为主加元素，s i 胄有效抑制贝氏体中脆性渗碳体析出，代之以 韧性薄膜状残余奥氏体，且分布在贝氏体铁素体亚片条、亚单元及超亚单元之间，使 该钢具有优良强韧性，该锻钢球硬度5 7 6 1 h r c ，冲击值2 5 j c m 2 ，破碎率 7 0 j c m 2 ，通过空冷热处理可使1 0 0 虹铸钢件获得强韧性优异的贝，马复相组织【8 i 。昆 明理工大学蒋业华博士等研制了一种空淬s i 2 m 1 1 2 c r 2 m o 低合金耐磨铸钢，主要成分 0 1 4 5 0 1 6 0 c 、1 1 8 2 1 2 s i 、1 5 3 l o m n 、1 0 1 1 3 c r 0 1 3 0 1 5 m o ，9 0 0 空冷再经2 5 0 。c 回火后，显微组织为马氏体+ 贝氏体+ 残余奥氏体，硬 度_ 5 0 h r c ，冲击值2 9 j c m 2 ，用作中小锤头破碎刚玉、磷矿石等硬物料时使用寿命是 高锰钢锤头的2 倍以上。在破碎水泥熟料和石灰石等较软物料时其使用寿命是高锰 钢锤头的4 倍左右【9 i 。 表1 1 低碳耐磨合金钢的成分、性能及应用 种类 c ( 嘟 篮( 吣 纽( 蝴q ( 婚( 嘲骚( 绚其它嗡垫：i 避l 瑶c 蚶a 口i 组织应用 1 1 翻越球钆瓤缸m 话1 盯1 饥鸵 3 龇好m ”j “伽m 挣 啦驺仉s1 04 o o 9 ? 水谇舶墨1 m 捧短 + 瑚c h 嚣捧敝= ：誉 ；驴4 0 ：1 蠹善蒿“o 等= ：2 + 0 洲火托，姗篙3 5玉0l j4 孙w 仉l伍研冠睛 ；峭甜4 0 ：“0 ：= 3 等j ：4 0 ：“：献做：0 叫：0 。煳i 嚣篡 。3 56e s4 拍1 m 2 0盐缘 蛹e 段，l 陋 2 0 锵删：“扣 。 1 蚴”1 篓 。 机。? m 鼯微 l l 饼黜忏渺4 廿汁啡l 5 p 器a ”卅m 程目搬 d 0 9 b 灯扯笛仉5m 6s 弱o 了l1 g 。 。 越一 络om 黼村鹾 5 1 0 2 4 e 日蛰强1o 2 5乱势0 7 2s 9 1o 稚1 7 d 堪。” 体om 覆磨村援 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 表1 2 中碳耐磨合金钢成分、性能及应用 表1 3 高碳合金钢成分、性能及应用范围 种龚眸号c ( 嘲豆 嘧& 缸( 螬o ( 嘟 白( 均! ；ic 婶其它( 绚热处理腿c _ h g 皿l 魄 应用 膪 5渊o1 如 n 加 l e函 铲5 5扑打蜘k 村槿 ”驰一：= ：2 2 ：譬：= -嚣强喵8 嘉n x 髓 取o 5 01 仉 m秘置畦质1 1 o 一 眦锄珏 o e o = 8 0 “j ：5 箸“0 舻5 0 眭蚴辫锢太鞴一柏珐i 5 ：鞋+ x 椭 m 钳1 2 口i 伸 一 o 一 篙喇。等= 。等1 箸。等? ： 辨卧 m ，惫( 菱两 1 o 瑚o 9 01 褂1 2 01 如 工r r + 9 m o o j 皿 高 女铂0 4 0 4 曲一1 j o j o po 3 0 一礴020 蝴工蚶) o 彤。瑚1 7 e 4 踮参2 0 虫+ 回火 5 9 o擤om黼 ! ! 篓窦! ! ：! ：5 1 j3 2 ： 刚擤p m 秘 籁 砬噍锌翰l j o 1 了o3 03 5 o “ 矗最离奇壹钢 4 s o 一乐3 一o - 1 0 5 o d o 柏一0 嚣褂锯0 。基垂 姨连鼬学甓) 1 2 。 o 1 。瑚仉m 3 s 弛岈 曲o l o 。m 5 。拍 1 1 0 一05 0 一- -仉7 0 一o p0 5 0 一 删 1 船 1 o e8 l 瑚 e 。 驯2 1 om ( 二) 白口铸铁 剩余的碳以碳化物的形式存在的铸铁称为白口铸铁。白口铸铁由基体及它匕 3 西安建筑科技大学硕士学位论文 面分布的碳化物所组成，基体可以是珠光体、马氏体( 贝氏体) 或奥氏体，碳化 物本身可以有不同的形态。白口铸铁具有高的硬度和耐磨性，曾经大量用于制造 抗磨损铸件，例如泥浆泵零件、球磨机衬板、土壤耕作机具、磨煤机和筑路机械 的零件等。但是由于存在大量硬而脆的网状碳化物，白口铸铁同时具有硬而脆的 特性，这使它的应用受到极大的限制【l 叭。 在普通白口铸铁中加入镍和铬，就形成镍硬白口铸铁。c l i m a x 国际公司在1 9 2 8 年首先研制成功。镍硬铸铁是利用了镍和铬的共同作用，使奥氏体向珠光体的转 变延迟同时抑制石墨化过程，易于形成稳定的碳化物，在铸态条件下就能生成马 氏体基体和碳化物组织。其硬度( h b 5 5 0 - - - 6 5 0 ) 和强度都优于普通白口铸铁且生 产工艺简单，故较早得到了广泛应用。镍硬铸铁在美国、英国和德国已纳入了国 家标准。虽然镍硬铸铁在工艺上比较简单，但其本质的脆性使其应用受到很大的 限制。我国从国外引进的镍硬铸铁主要用于杂质泵过流部件的生产上如泵壳、叶 轮、护板等。我国镍硬铸铁的生产较少，主要是由于我国的镍资源比较缺乏，价 格昂贵1 1 ”。 铬系耐磨铸铁是指成分中含有一定数量铬的白口铸铁。由于铬的存在，不仅使 得铸件较易获得白口组织，而且使其性能产生较大的改善。所以，几十年来，它一直作 为主要的抗磨材料使用。从上世纪7 0 年代初期开始，随着对铬系耐磨铸铁研究的 大范围开展，该材料在我国耐磨材料领域逐渐占有越来越重要的地位。碳化物是组 成铬系耐磨铸铁的重要组成相，它的尺寸、数量、硬度、分布对铬系耐磨铸铁的耐 磨性和机械性能有着重要影响。在铬系耐磨铸铁中通常存在有三种类型的碳化物， 它们的物性参数如表1 4 所示。在铬系耐磨铸铁中，随含铬量的增加，碳化物的类型 逐渐从最初的( f e ，c r ) 3 c 型转变为( f e ，c r ) 7 c 3 和( f e ，c 0 2 3 c 6 。低铬铸铁中的碳化物主 要是( f e ，c r ) 3 c 型的，它通常呈三维连续的网状存在，见图1 1a ) 所示。高铬铸铁中的 碳化物主要是( f e ，c r ) 7 c 3 型的，由于这种碳化物的硬度高且形态呈孤立的杆状( 见图 1 1 b ) ) ，因此赋予铸铁较高的耐磨性和韧性。这即是为什么高铬铸铁比低铬铸铁的耐 磨性高且韧性又比低铬铸铁优的原因1 1 。 表1 4 铬系耐磨铸铁中常见碳化物的物性参数 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 a ) 低铬铸铁的金相组织2 0 0 b ) 高铬铸铁的金相组织4 0 0 图1 1 铬系白口铸铁的金相组织 许多研究者发现，在高铬铸铁中，杆状碳化物在不同的取向上具有不同的性能( 硬 度) 1 3 1 并利用定向凝固技术使碳化物定向排列，让碳化物的硬度较高的面做磨 损面从而提高材料的耐磨性能。有文献【1 4 】报道利用这一技术使材料的耐磨性提高 了3 0 0 o 1 5 0 。通过设计合理的化学成分配比、组织结构 1 5 - 1 7 】和制定合适的热处理 工艺i l ”j ，可以有效改善铬系白口铸铁的脆性，从而有效提高它的耐磨性能。另 外，还有学者对铬系铸铁的抗高温氧化性 2 0 。2 1 1 和抗腐蚀性 2 2 2 3 1 进行研究，结果表 明：增加碳化物的含量并控制碳化物的种类可以提高铬系铸铁的抗高温氧化性； 而增强相间抗腐蚀能力对于提高铬系铸铁的抗腐蚀能力很有帮助。 ( 三) 锰系列钢 在碳素钢中加入锰等元素，形成锰合金钢。锰合金钢的研究开始于1 8 4 0 年， 但由于研究的合金钢锰含量约为2 7 ，碳含量也不高，组织也不是奥氏体，因此应 用不是十分广泛。英国人r a h a d f i e l d 于1 8 8 2 年发明了奥氏体高锰钢，从此以后， 锰钢的应用逐渐推广。锰钢优良的耐磨性使其在冶金、矿山、建材、煤炭、电力、 化工、农机和军事等领域得到广泛应用。 高锰钢的含碳量在1 2 ( 质量百分数，下同) 左右，锰含量在1 2 1 3 左右1 2 4 1 。 是最早使用并沿用至今的耐磨材料。高锰钢具有极好的冲击韧性和高的加工硬化 速率，特别适合于大冲击磨料磨损工况，例如坦克的履带，挖掘机的斗齿，铁路 的道岔，破碎机的锤头等等。但是在低冲击工况下，高锰钢由于不能充分的加工硬 化，耐磨性并不突出；介稳奥氏体锰钢又存在韧性较低，安全性不高等问题。从而 限制了高锰钢在低冲击或无冲击磨料磨损工况下的应用。通过变质处理，对高锰 钢进行改性，可以有效地提高高锰钢的耐磨性能。用于变质处理的主要元素有v 、 t i 、r e 、s i 、c a 和z r 等。形成难熔质点的变质元素有t i 、z r 等，在钢液凝固时，ti 、 z r 率先形成高熔点的碳化物，起到晶核的作用：活性变质元素有c a 、mg 和r e 等， 它们影响结晶过程，可细化晶粒，改善碳化物及夹杂物的形态与分布，提高材料的综 西安建筑科技大学硕士学位论文 合力学性能【2 5 】。采用s r 变质剂对中锰耐磨钢进行变质处理时发现组织中奥氏体发 生了晶粒细化、晶界净化、碳化物粒化、夹杂物球化现象，而且铸造缺陷减少及耐 磨性大幅度提高 2 6 j 。目前，国内外在高锰钢合金化及热处理工艺方面作了大量的 工作【2 7 2 引。如少量添加铬、铂、钒、钛等强碳化物硬质点钉扎位错的滑移和强化 基体，从而提高初始硬度和屈服强度。例如目前的改性高锰钢的耐磨性比常规高 锰钢可以提高2 0 4 0 ，美国的a 1 2 8 e 一2 ( c ：1 1 5 1 2 5 ，m n ：1 2 1 4 ，s i 1 ，m o ：2 ) 可以用于生产高屈服强度而又不降低韧性的铸钢件，如破碎机衬板等。日本的 1 2 m n - 2 c r - v 也同样如此。 为了提高高锰钢的加工硬化能力，将锰含量调到6 8 ，使m s 点仍然低于室温， 可以在水韧处理后得到奥氏体组织，因此发展了中锰钢。中锰钢通常含锰6 9 。 碳0 7 1 0 ，同时一般含有2 左右的铬，o 5 1 5 的钼等合金元素。由于含锰量少， 降低了奥氏体的稳定性，其组织位于m n - c 相图的亚稳态奥氏体一侧，在中低应力 诱发下极易发生y a m 转变，因此加工硬化率比高锰钢高。中锰钢相对耐磨性一般比 高锰钢提高2 0 5 0 。之所以提高幅度有限是与磨损表面硬化层的深度与形变诱发 t 相对转变量有关。一般硬化层在1 4 0 p m ，7 - c t m 转变量在2 0 左右。它的这些特 征使得中锰钢成为在中低工况下替代高锰钢的较好选择。介稳奥氏体中锰钢的研 制为奥氏体锰钢的研究开辟了一个新的前景。这种钢通过降低含c ，m n 量来降低奥 氏体的稳定性，从而使其在磨损作用下发生马氏体转变，提高加工硬化效应，提 高耐磨性。美国c l i m a x 公司在1 9 5 8 1 9 5 9 年开始了这方面的研究工作，并于1 9 6 0 年 成功研制出m n 6 m 0 1 钢( 含1 2 0 1 4 0 c 0 4 0 7 s i ) ，取得美国专利s p a t e n t 3 ，1 1 3 ，8 6 1 ) 幽i 。6 m n 的确定是考虑到，在含c 量为1 2 1 5 的范围，要保证得到 完全奥氏体组织，最低含m n 量是4 5 ，这种钢的强度约为：a s = 4 1 0 m p a , = 5 9 0 m p a , h b 2 0 0 。之后在此基础上又相继研制出“6 2 1 ”钢，含1 1 0 一1 2 5 c ， 5 2 5 6 5 m n ，0 4 0 0 7 0 s i ，1 5 0 2 o o c r ，1 o o 1 2 0 m o ，s ，p 5 0 0 5 ，这种钢经水 韧处理后，有5 的珠光体，塑性l l m n 6 m o l 低但耐磨性比m n 6 m o l 略古【3 0 j 。 ( 四) 球墨铸铁 球墨铸铁作为一种耐磨材料，研究和应用的时间较短。六十年代研制的稀土 中锰球铁，是历史上最典型的一种球铁类耐磨材料，具有较好的耐磨性能，直到八 十年代，还一直作为一种重要的耐磨材料，广泛地应用于制作球磨机的衬板和磨 球。八十年代以后，随着一些新型耐磨材料的不断问世，这种材料开始逐渐被淘 汰。这主要是由于稀土中锰球铁的基体组织中含有大量残余奥氏体，在服役过程中 产生疲劳层状剥落及碎裂，严重时甚至会影响磨机的正常运转，增加无效停机时间， 使生产效率低下。近年新发展起来的球铁类耐磨材料，是马氏体球墨铸铁和贝氏体 球墨铸铁。与稀土中锰球铁相比，这些新发展起来的新型球铁耐磨材料具有更为优 异的耐磨性能【3 ”。与在高铬铸铁中的作用一样【32 1 ，碳化物对于球铁类耐磨材料的耐 西安建筑科技大学硕士学位论文 磨性能影响极大。组织中碳化物的含量过高，会影响材料的冲击性能；含量过低， 其耐磨性能又不能得到充分的发挥。因此，合理地选择组织中碳化物的含量和组成 至关重要。按照球墨铸铁基体组织可分为两种基本类型：马氏体球墨铸铁和贝氏 体球墨铸铁。 马氏体球墨铸铁是球铁类耐磨材料中最先发展起来的，但由于材料的基体硬 度较高，对杂质、夹渣和夹杂很敏感，因此，其工艺宽容性差。同样，正因为马氏 体球墨铸铁的基体硬度较高，其对于碳化物的镶嵌能力也强，而碳化物对于材料的 耐磨性能是非常重要的，这样就保证了马氏体球墨铸铁具有更理想的耐磨性能。目 前【3 3 】，这种材料的化学成分主要有两个发展方向：一、就是加铜、钼、镍等合金元 素，浇注后热开箱，利用余热淬火，然后低温保温一定时间。一般情况下，合金元素总 量 5 0 ，随着合金元素含量增加，抗拉强度和硬度增加，韧性下降。太原工业大学张 金山对冲天炉生产n i 、m o 、c u 合金铸态奥贝球铁作了系统的研究，认为1 0 1 3 c u ，o 4 5 0 6 5 m o ，1 7 2 8 n i ，即可得到铸态奥贝球铁。哈工大李小亚 等通过研究认为，加入1 5 n i 及微量n b 、t e 、b 就可得到铸态奥贝球铁。二、就 是提高锰含量，利用锰延迟珠光体转变时间，扩大贝氏体转变范围的特性，实现铸态 贝氏体组织。但也需要浇注后高温开箱、余热淬火、低温堆放保温。目前，这种成 分的磨球、衬板已被列入最新国标之中。它与中锰球铁不同，m n 1 1 1 2 5 。 根据以上原则，本实验制定的拉拔道次如下： d 0 6 5 一m 5 9 一0 5 1 一m 4 4 6 一中3 9 l 一巾3 4 5 - - - 岫3 0 5 - - + d p 2 7 一2 4 ( 铅浴) 中2 4 0 2 1 5 1 9 1 一m 1 7 0 一1 5 0 一1 3 4 - - - 咀b 1 1 8 一面1 0 4 一0 9 0 一中0 8 2 - - - 西o 7 4 一0 0 6 7 - - - 0 0 6 一o o 5 5 0 5 0 一巾0 4 5 一d 0 0 4 0 铅浴以前在立式圆柱绞盘连续多模拉丝机上拉拔，而铅浴以后在卧式塔形绞 盘连续多模拉丝机上拉拔。 2 2 2 退火处理工艺 将直径为中0 6 的冷拉钢丝分别在氩气的保护下，在2 0 0 。c 、2 6 0 。c 、3 2 0 。c 、 3 8 0 c 、4 4 0 、5 0 0 。c 、6 8 0 等七个温度下保温3 0 分钟，随炉冷却。 2 2 3 机械性能测试及试样制备 从铅浴以后巾2 4 m m 开始每道次取三根钢丝，在抗拉强度试验机上进行测试， 取平均值作为各道次钢丝的抗拉强度值。将不同退火温度处理过的冷拉钢丝每种 温度取三根，在抗拉强度试验机上进行测试，取平均值作为各道次钢丝的抗拉强 度值。 从铅浴以后m 2 4 m m 开始每隔四道次取样，共五个道次上取样( 每道次取两 个样，七种退火温度下各取两个样，用牙托粉将各试样的横截面和纵截面分别镶 样，磨制、抛光。在m x l 0 0 0 型显微维氏硬度测试仪上测试各试样的显微硬度， 每个样测三个点，取平均值。 2 2 4 磨料磨损试样制备、试验装置及试验条件 1 不同塑性变形量7 0 钢磨损试样的制备： 从m 2 4 ( 铅浴) 以后每隔四个道次取一个样，共5 个道次上取样。每个道次 选取适量的钢丝，将钢丝插入外径6 m m 、内径4 8 m m 的铜管内，用环氧胶粘结。 各道次钢丝的数量以保证总横截面积相等为准。具体参数见表2 2 。 真应变的计算公式为： e = l n ( s o s i )( 2 - - 3 ) 式中：真应变； s o - 变形前横截面积： s l 一变形后横截面积。 西安建筑科技大学硕士学位论文 表2 2 不同塑性变形量7 0 钢磨损试样的基本参数 序号 123 45 直径( m m )2 4 ( 铅浴) 1 5o 9o 6o 4 实测直径( m m ) 1 41 4 9 o 90 5 6 0 4 真应变 00 9 4 1 9 62 7 7 3 5 8 根数 871 94 99 3 总横截面积( r n m 2 ) 1 2 31 2 21 2 11 2 11 1 7 2 不同退火温度拉拔7 0 钢丝磨损试样的制备： 将2 0 0 、2 6 0 、3 2 0 、3 8 0 、4 4 0 。c 、5 0 0 、6 8 0 。c 等七个温度退火的拉 拔7 0 钢丝插入外径6 m m 、内径4 8 m m 的铜管内，用环氧胶粘结。各试样钢丝的 数量以保证总横截面积相等为准。具体参数见表2 3 。 表2 3 不同退火温度拉拔7 0 钢丝磨损试样的基本参数 序号 2 0 2 l 2 2 2 3 2 4 2 52 6 1 2 退火温度( ) 6 8 05 0 04 4 03 8 03 2 02 6 02 0 0室温 实测直径( m m ) 0 5 6 o 5 6 0 5 6 0 5 6 o 5 6 0 5 6o 5 6 0 5 6 根数 5 2 5 25 25 2 5 2 5 25 25 2 总横截面积( r n m 2 ) 1 2 81 2 81 2 81 2 81 2 81 2 81 2 81 2 8 3 试验装置： 试验机为国产m l 一1 0 干式销盘磨料磨损试验机，各项指标如下： 最大载荷：1 0 公斤载荷范围：0 2 1 0 公斤 圆盘转速：6 0 转分圆盘转速：1 2 0 转分 试样进给量：i 、2 、3 、4 毫米转 销盘磨损摩擦学系统工作原理如图2 1 所示。 图2 1 二体磨损试验原理示意图 1 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 这种试验机的设计和选用，建立在认为显微切削是决定磨损过程的主要因素 这一认识上的。磨损过程是通过在载荷作用下，试样相对于装有砂纸的圆盘运动， 走过一个螺旋线轨迹来完成的。试样为直径0 6 毫米的销型试样。 磨料选用氧化铝、石英和玻璃三种。 4 试验步骤： ( 1 ) 预磨对符合所需尺寸的试样进行预磨，采用同一型号砂纸，并保证试 样工作面保持同一状况；预磨时每个试样都保持在同一型号的砂纸跑合两个行程； ( 2 ) 清洗并称量对预磨后的每一个试样进行超声清洗，采用酒精作为清洗 液，清洗后烘干，在电光分析天平上称量( 分度值为o 1 m g ) ，并记录称量的质量， 同时对每一试样进行编号； ( 3 ) 磨损取原先制好的试样一个，加载进行一个行程的磨损，每次磨损要 用一张新砂纸； ( 4 ) 磨损后称量将每一次磨损后的试样用酒精一一清洗，并烘干，同时进 行称量，记录下试样磨损后的重量。取三次失重量的平均值作为实验数据。 2 2 5 拉拔及退火7 0 钢组织分析 将不同形变量的拉拔7 0 钢丝和不同退火温度的拉拔7 0 钢丝用牙托粉镶样，每 种钢丝镶两个样( 横截面、纵截面) 。磨制、抛光以后用3 的硝酸酒精深腐蚀。 利用j s m - 6 7 0 0 f 型场发射扫描电子显微镜进行观察，分析7 0 钢在深度拉伸塑性变 形条件下的组织演变规律，以及后续退火处理对拉拔7 0 钢丝组织的影响。 2 2 6 拉拔及退火7 0 钢磨损形貌分析 将各磨损试样在各种工况下磨损后用超声清洗机清洗( 酒精为清洗液) ，烘干。 喷镀金膜，在q u a n t a 2 0 0 型扫描电子显微镜下观察各试样表面的磨损形貌。 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 深度拉伸塑性变形及退火处理对7 0 钢组织 及力学性能的影响 冷拉弹簧钢丝广泛的应用于矿山、机械、建筑、航空、汽车、纺织等工业领 域。由于采用冷塑性变形，弹簧钢丝可以获得很高的强度性能，其中包括小量塑 性变形抗力，这些性能是普通热处理很难达到的。例如，在直径o 3 m m 的铅淬火 钢丝上强度极限可达3 7 2 0 m p a ，同时具有足够的塑性，然而高碳钢在淬火和低温 回火后强度极限要低得多，不超过2 4 5 0 m p a t 6 4 。而冷拉珠光体钢丝能达到如此高 的强度被认为是冷拉过程中其微观组织结构发生超细化导致的5 9 6 5 1 。为了消除应 力，提高弹簧钢丝的强度极限、松弛稳定性和疲劳强度，常采用低温退火处理。 实践证明，在较低温度退火时，弹簧钢丝的强度极限也会提高。为了使弹簧钢丝 获得更高的机械性能，大量研究集中在冷拉及退火处理弹簧钢丝的组织演变和性 能