（机械设计及理论专业论文）轧制高锰钢及其堆焊复合材料的组织演变及耐磨特性研究.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 轧制高锰钢及其堆焊复合材料的 组织演变及耐磨特性研究 专业：机械设计及理论 硕士生：徐文亮 指导教师：许云华教授 摘要 本文利用t e m 、s e m 等测试方法，通过对深度轧制条件下高锰钢及其堆焊耐 磨复合材料的组织演变及磨损规律的分析。系统研究了：( 1 ) 深度轧制条件下高锰 钢的组织演变及其性能变化；( 2 ) 高锰钢堆焊复合材料的成分、组织及性能变化； ( 3 ) 轧制高锰钢及其堆焊复合材料在三体磨料磨损条件下的磨损特性及磨损机 理；( 4 ) 对轧制高锰钢及其堆焊复合材料的使用环境进行了探讨。 对深度轧制高锰钢进行t e m 观察发现随形变量的增加，其组织中出现大量高 密度的形变挛晶，且数量随形变量的增加而增多。高密度形变挛晶是高锰钢在轧 制应力下产生加工硬化的主要原因。三体磨料磨损试验表明，在硬磨料磨损条件 下，预塑性变形轧制高锰钢的耐磨料磨损性能随轧制形变量的增大而降低，高锰 钢的预先塑性变形对其耐磨性没有贡献。对实际磨损工矿中的轧制高锰钢板进行 亚表层组织分析，发现磨料磨损后轧制高锰钢的裂纹形成于表面严重塑性变形区 与次表层流变变形区的交界处，这种裂纹极易导致剥落磨损，从而降低了其耐磨 性。而在软磨料磨损条件下，耐磨性明显高于非轧制态，说明轧制对提高高锰钢 的耐三体磨料磨损性能是需要条件的。 在热轧后的高锰钢上堆焊耐磨合金，研究发现堆焊对于高锰钢基体的性能影 响不明显，说明试验中高锰钢的堆焊工艺是可行的。三体磨料磨损试验表明，高 锰钢堆焊复合材料与传统耐磨材料相比表现了较好的耐磨料磨损性能，其磨损机 理主要是以磨粒对磨损表面材料重复作用应力产生的疲劳剥落为主；而高锰钢基 体的磨损主要以材料多次塑变产生的疲劳磨损为主，同时，磨粒对磨损表面有少 量的显微短程犁削。 可以看出，高锰钢堆焊复合材料有可能解决高锰钢材料的耐磨性及塑韧性不 西安建筑科技大学硕士论文 能同时兼顾的问题，在其使用过程中，也应同时注意到材料的使用环境，例如磨 损的强度、磨粒的大小等。 关键词：轧制高锰钢堆焊 三体磨料磨损 论文类型：应用基础 i i 西安建筑科技大学硕士论文 m i c r o s t r u c t u r ea n da b r a s i v ew e a r p r o p e r t i e so f h a d f i e l d s t e e lu n d e rt h ec o n d i t i o n so fr o l l i n ga n dc u m u l a t e - w e l d i n g 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：x uw e n i 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 rb e h a v i o r s o fh a d f i e l ds t e e la n dt h e i r c u m u l a t e - w e l d i n gc o m p o s i t em a t e r i a l su n d e rt h e c o n d i t i o n so fr o l l i n gl o a dw e r e o b s e r v e db yo p t i cm i c r o s c o p e 、t e ma n do t h e rg e n e r a lt e s tm e t h o d s t h ei n v e s t i g a t i o n w a si n v o l v e d ：( 1 ) m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fh a d f i e l ds t e e lb ys e v e r er o l l i n g t e c h n i q u e ；( 2 ) t r a n s f o r m a t i o no fc o m p o n e n ta n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fh a d f i e l ds t e e l u n d e rt h ec o n d i t i o n so fc u m u l a t e - w e l d i n g ；( 3 ) a b r a s i v ew e a rb e h a v i o r so fh a d f i e l ds t e e l b yr o l l i n ga n dc u m u l a t e - w e l d i n g ；( 4 ) t h e i ru s i n ge n v i r o n m e n t m o r ea n dm o r eh i 曲d e n s i t yt w i n sw e r eo b s e r v e di nh a d f i e l ds t e e lw i t ht h e i n c r e a s eo fd i s t o r t i o nu n d e rs e v e r er o l l i n g t h ei n v e s t i g a t i o ns h o w e dt h a tt h ea b r a s i v e w e a rc a p a b i l i t yo fr o l l i n gh a d f i e l ds t e e ld e c l i n e dw i t hi n c r e a s eo fd i s t o r t i o nu n d e rw e a r o fh a r dm i l l i n gg r a i na n di n c r e a s e di ns o f tg r a i n t h ea n a l y s i so ft h es u b s u r f a c el a y e ro f h a d f i e l ds t e e lu n d e ra p p l i c a t i o ns h o w e dt h a tt h ec r a c kw h i c he a s i l yi n d u c e df l a k e , l i k e s p a l l i n ga p p e a r e db e t w e e ns e v e r ed e f o r m a t i o nl a y e ra n dp l a s t i cc u r r e n t d e f o r m a t i o n l a y e r t h er e s u l ts h o w e dt h a ti tn e e d e dc o n d i t i o n st oi m p r o v et h et h r e e - b o d i e sa b r a s i v e w e a rc a p a b i l i t yo fh a d f i e l ds t e e lu n d e rs e v e r er o l l i n g r e s e a r c hs h o w st 1 1 a tt h ep e r f o r m a n c eo fm a t r i xh a v en od i v e r s i f i c a t i o nn e a r l y u n d e rt h ec o n d i t i o no fc u m u l a t e - w e l d i n go nt h eh a d f i e l ds t e e l t h ee x p e r i m e n t a t i o n m a d ek n o w nt h a tt h ec u m u l a t e w e l d i n gc o m p o s i t em a t e r i a l sh a dg o o dp r o p e r t i e so f t h r e e b o d i e sa b r a s i v ew e a rc o m p a r e dw i t l lm a n yt r a d i t i o n a lm a t e r i a l s t h et r a d i t i o n a l m a t e r i a l s a b r a s i v ew e a rm e c h a n i s mw a sm o s t l yt h ef a t i g u es p a l l i n go fm a t e r i a lo nt h e s u r f a c eo fa b r a s i o nd u et ot h er o l eo fg r a i n ，w h i l et h eh a d f i e l ds t e e lm a t r i x sa b r a s i v e w e a rm e c h a n i s mw a sc a u s e db yf a t i g u ew e a rf r o mr e p e a t e dp l a s t i c i t yd e f o r m a t i o n a t t h es a m et i m e ，f e ws h o r ts p a c ec u t t i n gw e r eo b s e r v e do nt h es u r f a c eo fa b r a s i o n i i i 西安建筑科技大学硕士论文 t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ec u m u l a t e w e l d i n gc o m p o s i t em a t e r i a l so fh a d f i e l ds t e e l m a yb ea b l et oi n c o r p o r a t ew e a rr e s i s t a n tp r o p e r t ya n dp l a s t i c i t y b e s i d e s ，w es h o u l d t a k en o t i c eo ft h e i ru s i n ge n v i r o n m e n t ，f o re x a m p l e ，i n t e n s i t yo fa b r a s i v ew e a r ，t h e d i m e n s i o no f m i l l i n gg r a i ne t c k e y w o r d s ：r o l l i n g h a d f i e l ds t e e l c u m u l a t e - w e l d i n g e b o d i e sa b r a s i v ew e a r 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 声明 8 1 9 7 1 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 所有贡献均己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。 论文作者签名：多辜爻移珊? o o _ f 。移 关于论文使用授权的说明 论文作者签名评爻彩靳签名：础害节日期：矶易 西安建筑科技大学硕士论文 1 绪论 磨损是种普遍存在的现象，它广泛存在于人们的生活和生产中，消耗机器 运转的能量，使零部件使用寿命缩短，造成材料的损耗和经济的损失。磨损是摩 擦学( 包括摩擦，磨损和润滑) 三大课题之一。摩擦是原崩，磨损是结果，润滑 是减轻摩擦与磨损的一种有效的方法。磨损是研究材料相对运动和相互作用的表 面科学技术，是一门多学科、跨学科的边缘科学。它包括机械摩擦、接触力学、 弹塑性力学、断裂力学、表面物理和化学、材料学和冶金学等，而且多数涉及到 微观和动态方面。磨损又是金属失效的三种主要原因( 磨损，腐蚀和疲劳) 之一。 根据不完全统计，能源的1 3 到1 2 消耗于摩擦与磨损，对材料米说，约8 0 的零 件失效是由磨损引起的。我国大量基础零件的耐磨性普遍低于国外先进产品的水 平，给国民生产。造成了很大的损失【l 】。因此发展新型的耐磨材料对于提高材料使用 效率以及国民经济生产都具有积极的现实意义。 1 1 目前耐磨材料研究现状和趋势 1 1 1 耐磨复合材斟及其发展现状 随着工业化的发展，单一材料的性能已经不能满足各种工业生产的需要，近 年来，复合材料得到了广泛的发展，特别是耐磨复合材料获得了更多的研究，其 中包括利用纤维增强、颗粒增强、纳米高强度材料复合等方式增加材料的耐磨性。 金属基复合材料( m m c ) 雌及碳纤维增强材料被广泛应用于国防及国民经济工业 生产中的各个环节，取得了良好的经济及社会效益。 ( 1 ) 双液浇铸双金属材料 双金属复合材料兼具两种金属的优点，以其优良的特性逐步得到广泛应用。 复合材料的研究己成为金属材料学的一个重要分支。利用双金属复合材料制造的 锤式破碎机锤头、颚式破碎机齿板、球磨机衬板等己相继获得成功，其耐磨性得 到了成倍的提高，并取得了显著的经济效益。 试验证明，用消失模铸造及双结晶等方法浇注的双金属复合材料均具有较好 的冶金结合性能，被广泛应用于大型球磨机衬板、大直径电厂磨煤机等工业产品 中。 ( 2 ) 表面颗粒增强复合材料 ( 2 ) 表面颗粒增强复合材料 1 西安建筑科技大学硕士论文 金属基复合材料( m m c s ) 是由增线体和基体金属材料通过一定的方法复合而 成。金属基复合材料按增强特点，可分为使用连续长纤维增强的连续增强型和使 用颗粒、晶须、短纤维增强的非连续增强型两大类。前者由于纤维是主要承力组 元，因此具有很高的比强度和比刚度，在单向增强的情况下具有很强的各向异性。 由于原材料纤维的价格昂贵，制造工艺技术十分复杂，因而成本很高，影响了它 们的实际应用。后者由于金属基体仍起到主导作用，其强度与基体相近，增强体 的加入主要是弥补基体材料某些缺陷，如提高刚度、耐磨性、耐高温性能、热物 理性能等。它们的制造工艺技术相对较为简单，可以在现有的冶金加工设备基础 上进行工业化生产，因而成本较低，有利于大规模应用。 表面颗粒增强复合材料因不仅具有综合的力学性能，而且有优良的物理性能， 成本低，微观结构均匀，材料性能各向异性，可采用传统的金属加工工艺进行加 工等优点而倍受人们的关注。目前颗粒增强体的表面处理方法包括：1 ) 镀金属( 如 n i 、c u 等) 涂层；2 ) 硼砂、氟酸盐处理：3 ) 溶胶一凝胶处理；4 ) 氧化处理等。 ( 3 ) 表面喷涂复合材料 传统的热喷涂技术是将某种喷涂材料加工热熔化后，在雾化的同时，高速地 喷向被涂材料地表面，形成与基体具有一定结合力地涂层地工艺过程。这一工艺 过程是对金属基体地表面进行喷涂而发展起来地，被大量地用于对金属零件地表 面进行防腐处理以及零件地修复。当喷涂材料，尤其是被喷涂地基体材料均为金 属时，在一定的喷涂速度以及一定的温度下，涂层与基体之间产生冶金及机械结 合，随着温度与喷涂速度的提高，这一结合力也相应提高，因此近年来，高能喷 涂工艺( 高温、超高温) 得到了很大的发展。利用表面喷涂增强工作表面的耐磨性可 利用基体金属与表面喷涂金属粒子综合的力学性能，可以达到节省原料、提高材 料表面耐磨性而不影响材料整体性能的目的【3 】o 同时，材料表面喷涂技术也包括对塑料制品的表面喷涂，即在塑料制品表面 喷涂均匀、耐磨的材料，通过扩散渗透，使之紧密接触，最终达到美观、耐用的 目的。 ( 4 ) 表面堆焊复合材料 许多机械的重要零部件在使用过程中，常要求表面有较高的耐磨性、耐热性 及耐蚀性等特殊性能，同时又要求整体具有较好的强韧性配合。这种要求采用单 一材质和处理工艺难以达到的，近年来国内外广泛采用堆焊技术解决该难题，取 得了良好的技术效果，获得了巨大的经济效益和社会效益。 堆焊是在金属表面利用熔化焊接原理堆敷一定厚度具有特殊性能材料的工艺 过程，目的是修复零件或提高零件表面耐磨、耐热、耐蚀等性能。显然堆焊层的 西安建筑科技大学硕士论文 性能取决于其化学成分和组织结构，而堆焊层具有加热速度快，温度高、时间短 等热循环特性，这与金属在热处理过程中的热循环过程有显著的差异，因此在堆 焊过程中应对堆焊工艺以及焊后冷却方式做对应的处理。 ( 5 ) 弹性体( 耐磨橡胶、聚氨酯) 复合材料 采用耐磨橡胶以及耐磨聚氨酯结合的弹性体复合材料具有良好的力学性能、 耐介质性、低温韧性、抗老化、防水环保等优点近年来得到了广泛的研究。利用 纤维增强弹性体复合材料被广泛应用于耐高温耐腐蚀、阻燃、密封性等工作环境 中。 1 1 2 单一耐磨材料及其磨损 ( 1 ) 合金钢 中、高碳低合金钢因具有良好的耐磨性及综合机械性能，成本不高，可广泛 地用于制造耐磨件，含碳量的多少是影响低合金钢耐磨性的重要因素，可以根据 含碳量把低合金钢分成三类( 如表1 1 所示) 。 表1 1 耐磨低合金钢的性能和用途 种类含碳量热处理硬度h b夏氏冲击值用途 履带板、铲 低碳 o 1 8 一o 3 0 淬火+ 回火3 0 0 5 0 0 1 5 2 2 齿 履带板、摆 中碳 o _ 3 0 0 4 5 淬火+ 回火3 7 0 5 5 01 0 锤、衬板 泵件、颚板、 高碳 o 5 0 1 0 0 正火+ 回火3 5 0 5 5 0 4 8 破碎辊 国外热加工的低碳( 一0 1 5 c ) 镶铬相钢，淬、回火后的硬度为h b 3 2 0 - 4 1 5 ，具 有强度、延展性和可焊性，用于生产推土动植物装卸机的叶片、刃片，生产方便， 使用可靠，便于维修。 我国低合金最初就用于制作承受一定冲击复合耐磨件，钢的含碳量分为中碳 ( 0 3 5 0 4 煳和高碳( 0 6 0 8 5 ) 两大类，合金元素主要为铬、锰、硅、铂。钢在淬 火、回火后的硬度，高碳为h r c 5 5 ，中碳硬度为h r c 4 3 5 3 ，冲击韧性均为 1 0 - 2 5 k g r n e m 2 。低合金钢使用寿命比高锰钢高卜2 倍。拖拉机履带板也改用3 1 m n s i 钢。生产中存在的问题主要是淬裂。 低合金钢的研究主要以空淬或者油淬后获得高硬度而延展又不降低为主要目 西安建筑科技大学硕士论文 标。测试结果表明耐磨性与含碳量有关，但碳含量不应该过高，以0 3 0 5 为宜， 以减少淬火开裂，有利于获得板条状马氏体和高延展性。制作碾辊等冲击载荷和 淬火形变不大的工件则可以选用高碳。提高淬透性采用硅、锰、铬、钼和硼综合 合金化，考虑到我国的资源，一般都发展自己的低合金钢种，同时对于合金元素 对淬透性的影响和钢的c c t 曲线应该进行系统研究，为制定热处理工艺提供理论 依据。合适的热处理工艺是发挥合金作用的关键。钢的冶炼应该达到低硫、低夹 杂，钢的断裂韧性与其耐磨性的关系是应该研究的新领域。 虽然低合金钢受到强韧白口铸铁的威胁，但前者在抵抗以外的冲击形变过程 中则更可靠。 主要的低合金耐磨钢有： 1 ) 空淬马氏体铸钢 美国c l i m a x 钼业公司从1 9 7 1 以来研制c r - m s i - m o 空淬马氏体铸钢，当含碳量 为0 4 时与适当的合金元素配合在空淬条件下抑制贝氏体、珠光体转变而得到高 硬度的马氏体组织。这类钢在美国和加拿大的磨损机械上应用，虽然含碳量稍高， 但是因为采用了空淬从而避免了液体淬火时引起的高应力开裂。 2 ) 水淬低碳马氏体铸钢 对冲击载荷耐磨件，强度和韧性均需要考虑的水淬低碳钢铸件日益显得重要。 这类钢含碳量不超过0 3 5 ，通常加入多种合金元素及小于0 1 的v 和微量的b ， 水淬后的组织均为板条状马氏体。这类钢强度高、可焊性好。用于工程式机械中 的履带板、推土机刮板和大型球磨机衬板。该材质因含碳量低，对于大型超厚耐 磨件因为淬透差导致心部会有珠光体和粒状贝氏体组织，故含碳量应该尽量上调， 对耐磨性要求为主的工件选用中碳合金钢。 3 ) 油淬马氏体钢 用于耐磨件的油淬、回火处理的铸钢主要有c r m o 系列。它们的含碳量在 o 3 5 0 6 之间，含碳量适中以避免在使用中工件开裂。这类铸钢件用于受到冲击 载荷的球磨机简体衬板，热处理的硬度为h b 3 0 5 3 7 5 。z g 4 2 c r n 4 n 2 s i m o 因为具 有热裂敏感性，因此采用m s ( 2 9 0 。c ) 点以上终止冷却等温回火，使其金相组织部 分得到贝氏体的方法以防止热裂。4 0 x 3 h 3 2 中2 b 钢在奥氏体化之后的6 5 0 等温 过程中，析出弥散的m c 型碳化物，比如v c ，脱落沉淀于因为贫碳并且在随后 的油淬中转变而来的板条状马氏体基体上，从而提高了基体的抗脆性破坏能力， 使耐磨性得到提高。此外，前苏联专利还有4 5 x h m 中t 稀土钢( ob = 1 9 1 m p a ， nk = 4 9 j c m 2 ) 。中、低碳低合金钢应该通过成分控制和热处理以获得板条状马氏 体或者板条状马氏体+ 粒状贝氏体的复合组织，使耐磨性和综合机械性能有良好 4 西安建筑科技大学硕士论文 的配合【2 j a ( 2 ) 高铬铸铁 白口铸铁具有优异的耐磨性，但是韧性低。自从近年来其韧性不断提高以后， 也逐渐发展为重要的耐磨材料，应用范围已经扩大到一些冲击磨损件如锤头等， 因而受到国内外普遍重视。 国外冷硬珠光体白口铁已经很少用。本世纪3 0 年代开始研制成功镍铬( 即镍硬) 马氏体白口铸铁，铸态厚截面也可以得到马氏体组织，硬度可以达到h r c 6 2 ，并 且有一定的韧性，用于制造泵体、衬板。但是镍铬铸铁中的碳化物仍然是m 3 c 7 型， 显微硬度为h v 9 0 0 1 1 0 0 ，而且成为连续的网状，对韧性不利。高铬铸铁含铬 1 2 ， c r c 高，碳化物则改变为m t c s 型，显微硬度高( h v1 3 0 0 1 8 0 0 ) ，而且成为断开分 布，从而使其韧性和耐磨性大大提高，应用范围则进一步扩大到冲击磨损件和凿 削磨损件如衬板、锤头、v 板等，代替高锰钢可以提高寿命几倍。我国推广应用高 铬自口铸铁的同时研究发展了适合我国资源状况的低合金马氏体白口铸铁，采用 变质工艺，改变碳化物的分布，提高白口铸铁的韧性。这种强韧性低合金马氏体 白口铸铁在生产耐磨件中取得巨大的经济效益，同时发展了耐磨自口铸铁的冶金 原理。 我国开发了几个系列的马氏体白口铸铁。铜铬白口铸铁的铸态组织为贝氏体 十渗碳体，硬度为h r c 5 5 6 0 ，制作焦油白云石双轴搅拌机桨叶和衬板，寿命超过 高锰钢十倍，但是高铜影响韧性。稀土铬白口铁盐浴淬火组织为马氏体十碳化物， i - i r c 6 5 6 9 ，制作抛光机桨叶，满足要求。锰系白口铸铁( 含m n 5 5 6 5 ) 是根据我 国资源情况发展的经济有效，生产便利的马氏体白口铁，可以在冲天炉中熔炼和 铸态使用。目前已经研制出锰硼及锰铜铬相系两类，三种不同的含碳量水平。产 生了明显的经济效益。硼系合金自口铸铁成分为高碳低硼和低碳高硼组，经过油 淬和回火处理h r c 6 2 6 5 ，已经用于生产。 目前，具有一定韧性而又十分耐磨的高铬白口铸铁在国外受到极大的重视。 高铬白口铸铁按照含格量分为三组，高铬组耐磨性不是最好的，但是有着良好的 耐腐蚀性能；中铬组淬透性最好，耐磨性高；低铬组是高铬铸铁中含铬量最低且 含碳量最高的，经济效益也最高，用于锤头和衬板生产取得良好的效果。 高铬铸铁的耐磨性在各类钢铁材料中处于首位，缺点是成本较高、脆性也处 于首位，因此应用受到了许多限制。 ( 3 ) 耐磨聚氨酯 聚氨酯减磨耐磨材料是近十几年来才发展起来的，其结构与性能的关系以及 它的减磨耐磨机理仍处于探索阶段。聚氨酯弹性体在所有合成材料中具有杰出的 西安建筑科技大学硕士论文 耐磨性能，但由于它分子结构中含有- n c o ，一o h 和脲等大量的强极性基团，使得 它的表面能相对较大，摩擦系数偏高，摩擦时产生大量的内生热，因此，在一些 要求减磨耐磨领域中的应用受到限制。 近年来，耐磨聚氨酯由于其优良的耐磨性、耐酸碱性，防腐蚀性好、高弹性 广泛应用于物料输送带、耐磨筛网以及耐磨衬板。同时，耐磨聚氨酯有着良好的 密封性及防水卫生等特点，被用于做地板涂层油漆以及各种密封件。耐磨聚氨酯 还有很好的减少噪声以及低能耗的优点，也可做成各种减震件。总之，耐磨橡胶 及耐磨聚氨酯以逐渐应用与工业生产及日常生活的各个领域，有着十分良好的市 场前景 3 1 。 ( 4 ) 耐磨橡胶 在钢铁生产中，为保证钢铁质量，一般要对石灰石等原料进行精心筛选，用 金属网筛选在雨季经常发生堵孔现象，近年来，耐磨橡胶逐渐取代了金属网成为 耐磨筛网及筛板的主要原料。耐磨橡胶具有良好的耐磨性、弹性及强度，而且还 能够耐腐蚀及抗老化。同时，耐磨橡胶质量较轻，对于筛网来说，振动筛选比较 容易。宝钢研制的三层结构的弹性耐磨橡胶筛网还具有一下很多优点：1 ) 防堵性 能效果突出。它在筛选过程采用二次振动，而且多次振动是筛选质量更佳；2 ) 耐 磨性能优良。耐磨橡胶网的使用寿命比一般不锈钢金属编织网长3 5 倍，比普通 金属网更高，橡胶筛网有以柔克刚的作用，因而减少了因性能差而使筛网损坏和 经常更换筛网造成停机等影响生产的不利因素，提高了筛选的作业效率；3 ) 安装 及拆卸简单方便。由于耐磨橡胶的质量轻，而筛网的安装都在3 4 层楼高处，这 样为其安装提供了可靠性；4 ) 噪声低。橡胶网能有效吸收因物料冲击筛网及物料 之间相互摩擦产生的噪声。 由于天然橡胶( n r ) 的耐磨性并不突出，而且属于结晶性橡胶，而丁苯橡胶 ( s b r ) 及顺丁橡胶( b r ) 的耐磨性较好，但机械性能不如天然橡胶，因此在使 用橡胶制品时一般都采用三胶并用体系，并控制配方及烧结工艺。同时耐磨橡胶 的耐磨性有不大稳定的情况，因此开发更高性能的耐磨橡胶成为研究的重点。近 年开发的可喷涂( 聚氨酯及聚脲弹性体) 耐磨橡胶具有较好的性能及环保要求。 一般应用于耐磨涂层表面，在工厂建设、建筑涂层、储罐涂层以及海洋海岸设施 中。 ( 5 ) 锰系列钢 锰合金钢的研究开始于1 8 4 0 年，但是研究的合金钢的锰含量约为2 7 ，碳含量 不高，组织也不是奥氏体，因此应用不是十分广泛只是英国人r a h a d f i e l d 于 1 8 8 3 年获得了奥氏体锰钢的专利才使锰钢的应用逐渐推广。由于锰钢的优良的耐 西安建筑科技大学硕士论文 磨性使其在工业上得到了广泛的应用冶金、矿【l 、建材、煤炭、电力、化工、农 机和军事等各个部门都大量的使用含锰的耐磨材料。由于以锰为主要元素的奥氏 体耐磨锰钢在实际生产中用途广、消耗量大，因此开展提高其耐磨性的研究具有 重要的意义。 上个世纪末大体上确定了高锰钢的含碳量在1 2 ( 质量百分数，下同) 左右， 锰含量在1 2 1 3 ，这个成分一直沿用到现在。后来为了提高中、低冲击工况下的 耐磨性，发展了中锰钢和低锰钢近年来对高锰钢锰含量达到2 5 3 0 也开展了研 究，但是多限于理论研究，实际应用很少。典型的研究钢种如表1 2 ： 表1 2 奥氏体耐磨锰钢的典型成分w t 类别钢种 cm n其它 0 3 - 0 8 s i ， 0 8 p ， 1 0 以避免铸件冷却时发生 珠光体转变和保证韧性。硅高也将加速珠光体形成和针状碳化物析出。一般规定 s i 0 6 。磷由锰铁带入，对韧性和耐磨性不利，当碳含量高的时候影响更为显著， 在我国已经受到注意。一般规定p 4 5 0 ) ，对于改善高锰钢的性能，提高高锰钢的性价比，扩大高锰钢产品 的应用范围，具有积极的实际意义。本试验采用轧制的工艺对铸态m n l 3 进行机械 处理，使之表面预充分加工硬化，并研究其组织性能变化及其晶体学演变机制， 同时分析高锰钢的加工硬化速率随载荷及形变量的变化及高锰钢在s l n 条件下的 加工硬化机制。 西安建筑科技大学硕士论文 1 3 2 预变形高锰钢的磨损特性及磨损机制 研究轧制高锰钢在不同条件下，如改变磨粒尺寸、载荷大小、磨粒特性对其 耐磨料磨损特性的影响，分析比较磨粒及载荷对高锰钢耐磨性的影响程度，为确 定轧制高锰钢的使用范围提供理论依据。 观察轧制高锰钢在磨粒磨损条件下的耐磨面的磨损形貌，分析其磨损状况及 磨损机制，并研究轧制高锰钢的耐磨粒磨损特性。 1 3 3 预变形高锰钢磨损过程中皿表层的组织演变 分析高锰钢在磨粒磨损条件下，磨损表面的亚表层的组织演变，从而研究其 在磨粒磨损过程中的磨损特性及耐磨机理。 磨料磨损的过程是一个比较复杂的现象，一般有两种或多种磨损机理同时起 作用，所以材料表面的磨料磨损的组织结构特征及其演变规律是研究其磨损机理 的有效的手段，同时，对于不同材料金属的磨料磨损，在相同条件下，表层可能 会发生表层的硬化和强化等现象，提高或降低其耐磨性，这时对材料表层的组织 及相的变化进行分析显得尤为重要。本试验将对轧制高锰钢进行亚表层显微和相 变化的分析，研究这种材料的磨料磨损特性，为了解其摩擦磨损的本质提供了重 要依据。 1 3 4 1 高锰钢堆焊复合材料的组织及其性能 高锰钢的主要特点是工作表面层在较大冲击力或接触应力作用下，具有很高 的硬度及耐磨性，而内部仍保持原来的韧性。因此，高锰钢在矿山及工程机械中 应用较广。但是由于高锰钢的奥氏体组织是处于亚稳状态，如果被重新加热到3 0 0 以上，就会沿奥氏体晶界甚至于晶内开始析出碳化物，使塑性和韧性大大下降， 高锰钢性能变坏。高锰钢的焊接过程对基体高锰钢来说也是一次局部重新加热过 程。当冷却速度较慢时，热影响区会有碳化物析出，使钢材脆性增加，在焊接应力作 用下，接头产生裂纹的机会增加。所以长期以来，高锰钢主要以铸件形式被使用， 但近年来，国内外先后研究了高锰钢焊接件的使用情况，采用小电流、高焊速等 方法抑制碳化物的析出，取得了一定的成效。考虑到轧制高锰钢的机械性能更好， 我们在试验中采用轧制高锰钢焊件，采用手工电弧堆焊的工艺堆焊耐磨金属焊条， 并观察其堆焊复合材料的组织及性能变化，并研究其三体磨料磨损性能。 1 3 西安建筑科技大学硕士论文 1 3 5 高锰钢堆焊复合材料的三体磨料磨损特性及其磨损机制 在上述研究基础上进行高锰钢堆焊复合材料的三体磨料磨损试验，观察其磨 损表面形貌，分析其三体磨料磨损特性，并研究其磨损机制。本试验着重了解高 锰钢堆焊复合材料的力学性能及耐磨特性，为设计出耐磨性更好的高锰钢复合材 料提出改进方案。 1 3 6 高锰钢二维耐磨复合材料的设计 本文将通过对高锰钢及其复合材料力学性能及耐磨特性的研究，提出改善高 锰钢耐磨性的有效方法，为设计新型的高锰钢的复合材料提供意见及研究方向， 并为在实际生产中应用此类材料提供理论依据。 西安建筑科技大学硕士论文 2 1 试验材料 2 试验方法 本试验采用高锰钢和耐磨合金焊条为试验材料，研究轧制高锰钢及其堆焊复 合材料的力学性能及耐磨性能。 试验所用高锰钢试样( 其化学成分( 、v t ) 为：c 1 。1 3 ，m n l 2 5 ，s i 0 5 0 ， s o 0 1 3 ，p 0 0 2 7 ) 采用中频感应电炉熔炼，试样在盐浴炉中经1 0 5 04 c ) j 1 热2 0 r a i n ， 进行水韧处理。轧制高锰钢采用分道次选取不同压下量的试样进行分析，分别采 用热轧4 m m 、冷轧3 0 8 m m 、2 7 2 r a m 、2 2 4 m m 、1 8 m m 高锰钢进行组织及性能分 析。 试验用耐磨合金焊条分别选用w c 系耐磨合金焊条d 7 0 7 ，中碳马氏体焊条 d 2 3 7 ，铬系合金焊条d 6 3 2 。其各自的牌号及硬度如表2 1 所示： 表2 1 所取焊条的编号及材料硬度 编号名称牌号宏观硬度c e a t c ) 1 #高铬合金焊条d 6 3 24 8 2 #w c 系耐磨焊条d 7 0 76 0 3 中碳马氏体钢焊条d 2 3 7 5 0 4 #1 7 c r4 5 7 2 2 轧制试样制备及性能测试 高锰钢砂型浇注成钢锭后热轧成1 0 m m m n l 3 钢板，固溶处理后采用中1 8 0 x 3 5 0 二辊冷轧机( 功率7 5 k w ，轧制速度2 5 m m i n ) 对其进行分道次可控冷轧到4 m m 厚 度，固溶处理后继续对4 m m 高锰钢再进行分道次深度冷轧，轧制前进行酸洗、水 洗、除锈及打卷等准备工作，考虑到高锰钢的硬度上升过快，防止发生断辊事故， 轧制控制在3 道次之内，终轧厚度为1 8 m m 。轧制前的主要技术参数如表2 2 所 示：在轧态的钢带中取不同应变量的试样，分别对其进行力学性能分析及组织结构 分析，用金相显微镜及j e m 2 0 0 0 e x 电镜观察其组织演变。 表2 2 深度冷轧前的钢带的主要参数 钢带宽度( r n m )钢带厚度( r a m )硬度( h r c )抗拉强度( o b ) 8 0 742 99 4 西安建筑科技大学硕士论文 对在不同应变量下的轧制高锰钢带中截取制成试样，磨平抛光后制成金相试 验样品，在z a 8 315 7 7 型光学显微镜观察其组织变化。同样方法切割取样，经机械 单面减薄后采用单喷电化学穿孔法制备轧制板的金属薄膜样品，然后将所制各的 金属薄膜样品在j e m 2 0 0 0 e x 透射电子显微镜下观察其微观组织。并分别对不同 形变量下的轧制试样在h d 一1 8 7 5 型硬度计下进行硬度测试。 2 3 磨科磨损试验装置及试验条件 磨料磨损试验装置采用自制三体磨料磨损试验机，其原理及试样形状如图2 1 所示，试验机轨道为热轧2 0 钢，硬度为h b l 5 0 ，主轴转速为3 0 转份，轨道半径 1 7 0 m m 。试验用磨料采用2 4 0 目石英砂及2 8 0 目天然金刚砂。本试验改变的试验 载荷分别为：1 9 千克力、2 9 千克力、3 6 8 千克力、4 4 6 千克力、5 2 4 千克力。 磨 广蕊f = 虫霸试样孱垒一 l轨道 向 图2 1 三体磨料磨损的试样外形及试验机原理 试验时先将试样在所试验用载荷下预先跑合1 o h ，这时磨损接触表面的机加 工痕迹已被消除，并接触良好，然后再进行正式试验。磨损时间为每隔3 0 r a i n 用 t g 3 2 8 a 万份之一光电分析天平( 精确到o 0 1 m g ) 测一次失重( w t ) ，共测4 次取 平均值，再改变其载荷大小，重新作上述试验。 2 4 高锰钢堆焊复合材料组织及磨损形貌分析 在热轧后的高锰钢板上堆焊不同材料的耐磨合金焊条( 中碳马氏体、w c 系焊 条、高铬焊条) ，并对其堆焊复合材料切割取样并进行组织观察。