（机械设计及理论专业论文）高硼铁基系列铸造耐磨合金研制及其应用研究.pdf

摘要 传统的耐磨材料都是以合金碳化物为抗磨骨架，本论文创新性地提出以硬度更高、 稳定性更高的硼化物和硼碳化合物为抗磨骨架，以高强韧性马氏体为基体的高硼铁基系 列铸造耐磨合金。高硼铁基系列铸造耐磨合金以我国富有的硼、铬、钛为主要合金元素， 不含有镍、钼、钨、钒等合金元素，具有低成本、高硬度、良好耐磨性和强韧性，同时， 铸态硬度低，成型工艺性好，容易切削加工，克服了高铬铸铁和高锰钢铸态难以；0 n - r - 的 问题，适用制造尺寸精度要求高的耐磨零件。因此，高硼铁基系列耐磨合金是一种新型 的耐磨材料，可以部分替代高铬铸铁和高锰钢材料。本学位论文依托于国家8 6 3 计划项 目，在以下方面进行了实验研究。 在论文中，将高硼铁基系列耐磨合金分为低碳低硼系列( 0 2 - 0 4 c 、1 o b 左右) 、 中碳硼变化系列( 0 3 - 0 4 5 c 固定，0 5 - 3 0 b ) 和高碳高硼系列( o 5 1 0 c ，2 b 左右) 三个系列，对其合金的熔炼方法、合金的净化精炼工艺、铸造凝固过程和组织、 热处理工艺和热处理后的组织和性能、合金在二体磨损和三体动载磨损条件下的耐磨性 能及工业应用进行了较为全面的研究。 本研究采用铝、钛脱氧和定氮、冲入法稀土变质处理的熔炼工艺，并开发了钢包底 部安装透气塞吹入氩气工艺，通过陶瓷透气塞向钢液中吹入氩气净化钢液。吹氩净化后 钢液中的夹杂物明显减少，有利于改善高硼铸钢的强韧性能。 借助于光学显微镜、扫描电镜s e m 、透射电镜t e m 、x 衍射和l e i c a 图像分析仪 等手段，研究了高硼铁基系列耐磨合金的铸态组织、热处理后的组织及合金元素对组织 和性能的影响。结果表明：低碳低硼系列合金的铸态组织主要由两部分组成：珠光体 和铁素体基体+ 鱼骨状的共晶硼化物和晶界分布的硼碳化合物。中碳、硼变系列合金铸 态组织受含硼量影响很大，随着含硼量的增加，共晶硼化物和二次硼碳化合物的体积分 数明显增加。当硼含量超过2 时，铸态组织中会出现( y + f e 2 b + f e 3 ( b ，c ) ) 三元包 晶组织，而硼含量对基体组织没有影响；高碳高硼系列的合金铸态组织除了有大量的共 晶组织外，还会出现( y + f e 2 b + f e 3 ( b ，c ) ) 三元包晶组织，随着含碳量增加，三元包 晶组织有所增加。在9 5 0 - 1 1 0 0 奥氏体化淬火+ 2 0 0 。c 回火后，合金的鱼骨状共晶硼 化物和菊花状的包晶组织变化不大，部分网状二次硼碳化合物有断网现象，基体组织全 部转变为马氏体组织。低碳低硼系列合金的基体主要由宽度约0 1 - - 0 21 2 m 的板条马氏 体组成，当奥氏体化温度超过1 0 5 0 时，合金基体中会出现部分针状马氏体；中碳和高 碳高硼系列合金的基体主要由混合马氏体组成。含碳量和含硼量对高硼铁基合金中硼 化物和硼碳化合物体积分数的影响为：在硼量一定的情况下，碳含量的增加使硼碳化合 物的体积分数增加，根据实验数据，含碳量每增加o 1 ，硼碳化合物的体积分数增加l 左右，说明碳量的变化对硼碳化合物的体积分数的影响比较小；在含碳量一定情况下， 硼含量对硼碳化合物的体积分数有十分明显的影响，呈y = 7 0 7 8 e o 8 2 2 x 指数曲线变化， 其中y 一硼碳化合物，x 一含硼量。x 射线物相分析结果表明：当高硼铁基合金奥氏体 化温度超过1 0 0 0 c 时i 合金内部的二次f e z 3 ( c ，b ) 6 相消失，有利于消除“硼脆 现象， 提高合金的韧性。 借助于洛氏硬度试验、一次摆锤冲击试验、断裂韧性试验、m l 一1 0 销盘式和m l d 一1 0 冲击磨损试验，三个系列合金热处理后的力学性能及耐磨性试验结果为：低碳低 硼系列合金的硬度低、冲击韧性和断裂韧性较高；中碳硼变化系列合金含硼量的变化对 其热处理后的宏观硬度、冲击韧性和断裂韧性有明显的影响：高碳高硼系列合金随着含 碳量的增加，合金的硬度明显增加，而碳量变化对合金的冲击韧性的影响较小，高碳高 硼系列的冲击韧性在7 5 1 0j c m 2 范围。在二体磨粒磨损的条件下，无论低载荷还是 高载荷，低碳低硼系列合金的磨损性能相对于高铬铸铁要低；中碳硼变化系列合金当硼 含量小于1 5 时，高硼铁基合金的耐磨性与高铬铸铁相当，当硼含量超过1 5 时，高 硼铁基合金的耐磨性明显大于高铬铸铁，含硼量越高，高硼铁基合金的耐磨性越高；高 碳高硼系列合金的耐磨性都明显的优于高铬铸铁，耐磨性最好的合金接近于高铬铸铁的 3 倍。在三体动载磨粒磨损的条件下，低碳低硼系列合金的三体磨粒磨损的耐磨性比 高铬铸铁稍好；中碳硼变化系列合金硼含量低于2 0 的高硼铁基合金的耐磨性优于高 铬铸铁，而硼含量大于2 o 的高硼铁基合金的耐磨性比高铬铸铁差；高碳高硼系列合 金的三体磨粒磨损的耐磨性明显低于高铬铸铁，且随着含碳量的增加，耐磨性下降。 低碳高硼铁基合金在磨球机磨球上的工业应用效果表明：低碳高硼铁基合金磨球比 高铬铸铁磨球的耐磨性稍好，但低碳高硼铁基合金中合金元素加入量少，不含有镍、钼、 钴等合金元素，生产成本比高铬铸铁降低3 0 以上，具有很好的经济效益。高碳高硼铁 基合金在泥浆泵上的应用效果正在实际试验过程。 关键词：高硼铁基合金，耐磨材料，图象分析，磨粒磨损，c c t 曲线 i i a b s t r a c t t r a d i t i o n a lw e a l r e s i s t a n tm a t e r i a li sb a s e do nc a r b i d ea ss t r o n gs u p p o r to fm a t r i x t h e d i s s e r t a t i o ni n n o v a t i v e l yp r e s e n t sh i g hb o r o ni r o n - b a s e dw e a r - r e s i s t a n ta l l o yw h i c hm a t r i xi s m a r t e n s i t e t h em a t e r i a li sb a s e do nb o r i d ea n db o r o nc a r b i d ec o m p o u n dw h i c hh a v eh i g h h a r d n e s sa n dh i g hs t a b i l i t ya ss 打o n gs u p p o r to fm a t r i x h i 曲b o r o ni r o n - b a s e dw e a r - r e s i s t a n t c a s ta l l o yh a sn on o b l ee l e m e n t ss u c ha sn i c k e l ，m o l y b d e n u m ，w o l f r a m i u m ，w a n a d i u m t h e m a i na l l o ye l e m e n to ft h em a t e r i a la r eb o r o n ，t i t a n i u ma n dc h r o m i u m ，i t sh a sn o to n l yl o w c o s t ，h i 曲h a r d n e s s ，g o o dw e a l r e s i s t a n c ea n dg o o ds 订e n g t ha n dt o u g h n e s su s e da sb u ta l s o l o wa s c a s th a r d n e s sg o o dp r o c e s s ea n de x c e l l e n tm a c h i n i n gp r o p e r t i e s s o ，h i g hb o r o n i r o n - b a s e dw e a r - r e s i s t a n ta l l o y ( h b i a ) i sak i n do fn e ww e a r - r e s i s t a n tm a t e r i a la n di t sc a l l s u b s t i t u t ef o rh i g h c h r o m i u mc a s t i r o na n dh i g h m a n g a n e s es t e e lm a t e r i a l t h ed i s s e r t a t i o n h a sb e e ns u p p o s t e db yt h eh i g h t e c hp l a n i n gp r o j e c t ( 8 6 3 ) o fc h i n s e sg o v e r n m e n t t h eh i g hb o r o nw e a l r e s i s t a n ta l l o yi n c l u t l el o wc a r b o n l o wb o r o na l l o y ( 0 2 o 4 c 、 1 0 b ) ，m e d i u mc a r b o n - a l t e r a b l eb o r o na l l o y ( o 3 0 4 5 ，0 5 3 0 b ) a n dh i g h c a r b o n - h i g hb o r o na l l o y ( o 3 一o 4 5 ，0 5 - , 3 0 b ) t h em e t h o d so fa l l o ym e l t i n gp r o c e s s ， s o l i d i f i c a t i o np r o c e s sf o rc a s t i n g ，h e a tt r e a t m e n tp r o c e s s ，t h es t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e sa f t e r h e a t t r e a t m e n t ，w e a r - r e s i s t a n c ea n di n d u s t r ya p p l i c a t i o no ft w o b o d ya b r a s i o na n dt h r e e b o d y w e a l h a v eb e e ni n v e s t i g a t e do nt h es y s t e m o u rp r i n c i p a lr e s e a r c hm e t h o d sa r ea l u m i n i u m t i t a n i u md e o x i d i z i n gt e c h n o l o g y k j e l d a h l ，p o u r - o v e rm e l t i n gp r o c e s s i ta l s od e v e l o p el a d l eb o t t o m - b l o w i n ga r g o np r o c e s s t h e i n c l u s i o ni ns t e e ld e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l ya n di m p r o v es t r e n g t ha n dt o u g h n e s sa n dl i f et i m eo f h i g hb o r o nc a s ts t e e l ，a r e rt h eb l o w i n ga r g o np r o c e s s t h ei n f l u e n c eo nm i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ea s c a s t ，h e a tt r e a t m e n t s t r u c t u r e sa n da l l o y i n ga g e n to nw e a rr e s i s t a n to fh i g h b o r o nc a s t i n gs t e e lh a v eb e e n i n v e s t i g a t e db ym e a l l so fo p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ， t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ( t e m ) ，x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) a n dl e i c ai m a g ea n a l y z e r t h er e s u l t ss h o wt h a t ：o t h ea s c a s to fl o wc a r b o n 1 0 wb o r o na l l o yc o n s i s t so ft h ep e a r l i t ea n d f e r r i t em a t r i xa n df i s h b o n ee u t e c t i cb o f i d ea n dc a r b o n - b o r i d ed i s t r i b u t i n ga l o n gg r a i n b o u n d a r y t h ea s - c a s ts t r u c t u r eo fm e d i u mc a r b o n - a l t e r a b l eb o r o na l l o yi sg r e a t l ya f f e c t e db y t h eb o r o nc o n t e n ta n di n t e r d e n d r i t i ce u t e c t i cb o r i d ea n dt w ob o r o nc a r b i d ec o m p o u n dv o l u m e f r a c t i o ni n c r e a s eo b v i o u s l yw i t hi n c r e a s e i n gb o r o nc o n t e n t w h e nt h eb o r o nc o n t e n ti sm o r e i i i t h a n2 ，( t + f e 2 b + f e 3 ( b ，c ) p e r i t e c t i cs t m c t u r ea p p e a r si nt h ea s c a s ts t r u c t u r e ，b u tt h e b o r o nc o n t e n th a dn oe f f e c to nm a t r i x t h ea s e a s to fh i 曲c a r b o n h i g hb o r o na l l o ya p p e a r e d ( 丫+ f e 2 b + f e 3 ( b ，c ) ) p e r i t e c t i cs t r u c t u r eb e s i d e sal a r g ea m o u n to f e u t e c t i cs t m c t u l ea n d p e r i t e c t i c s t r u c t u r ei n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gc a r b o nc o n t e n t ) t h e r eh a sal i t t l ec h a n g e f i s h b o n ee u t e c t i cb o r i d ea n dc h r y s a n t h e m u m - s h a p e dp e r i t e c t i cs t r u c t u r e o f a l l o ya f t e r q u e n c h e da t9 5 0 1 10 0 a n dt e m p e r e da t2 0 0 s o m et w ob o r o nc a r b i d ec o m p o u n ds h o w f r a c t u r ep h e n o m e n o na n da l lm a t r i xs t r u c t u r et r a n s f o r m e di n t om a r t e n s i t i cs t r u c t u r e m a t r i xo f l o wc a r b o n l o wb o r o na l l o ym a i n l yc o n s i s t so fl a t hm a r t e n s i t ew h i c hw i d t hi sa b o u t0 1 0 2 1 x r na n d m a t r i xo fm e d i u mc a r b o na n dh i g hc a r b o n h i g hb o r o na l l o yi sm a i n l yc o m p o s e d o fm u l t i m a r t e n s i t e i n f l u e n c eo fc a r b o nc o n t e n ta n db o r o nc o n t e n to nb o r i d ea n db o r o n c a r b i d ec o m p o u n do fh i g hb o r o ni r o n b a s e da l l o yi s ：u n d e rt h ec e r t a i nb o r o nc o n t e n t ，b o r o n c a r b i d ec o m p o u n dv o l u m ef r a c t i o ni n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gc a r b o nc o n t e n ta n db o r o n c a r b i d ec o m p o u n dv o l u m ef r a c t i o ni n c r e a s e sa b o u t1 w h e nc a r b o nc o n t e n ti n c r e a s e0 1 e v e r yt i m ei nt e r m so fe x p e r i m e n t a ld a t a s o ，c h a n g e si nc a r b o nc o n t e n th a sl e s se f f e c to n b o r o nc a r b i d ec o m p o u n dv o l u m ef r a c t i o n u n d e rt h ec e r t a i nc a r b o nc o n t e n t ，b o r o nc o n t e n t s h o w e dt h es t r o n ge f f e c to fb o r o nc a r b i d ec o m p o u n dv o l u m ef r a c t i o na n ds h o w sar o l eo f e x p o n e n t i a lc u r v ey = 7 0 7 8 e o 8 2 及； w h e nt h eq u e n c h i n gt e m p e r a t u r eo ft h eh i g hb o r o n w e a r - r e s i s t a n ta l l o yi so v e ri0 0 0 。c ，t h ef r a c t u r et o u g h n e s so fi tc a nb ei m p r o v e db yt h e d i s a p p e a ro fg r a i nb o u n d a r yf e 2 3 ( c ，b ) 6 b ym e a n so fr o c k w e l lh a r d n e s st e s t ，p e n d u l u mi m p a c tt e s t ，f r a c t u r et o u g h n e s st e s t ， m l 10 0m o d e lp i n - d i s ka n dm l d 一10i m p a c ta b r a s i o nt e s t ，t h er e s u l to fm e c h a n i c sp r o p e r t y a n dw e a r - a b i l i t yo ft h r e et y p e sa l l o ya f t e rh e a t - t r e a t m e n ti s ： l o wc a r b o n l o wb o r o na l l o y h a sl o wh a r d n e s s ，h i g hi m p a c tt o u g h n e s sa n dh i 曲f r a c t u r et o u g h n e s s c h a n g e si nb o r o n c o n t e n t sd u r i n gm e d i u mc a r b o na l t e r a b l eb o r o na l l o yh a sa l lo b v i o u se f f e c to nm a c r o - h a r d n e s s a f t e rh e a t - t r e a t m e n t ，i m p a c tt o u g h n e s sa n df r a c t u r et o u g h n e s s t h eh a r d n e s so fh i 曲 c a r b o n - h i g hb o r o na l l o yo b v i o u s l yi n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n go fc a r b o nc o n t e n tb u tc h a n g e si n c a r b o nc o n t e n th a sl e s se f f e c to ni m p a c tt o u g h n e s s t h ei m p a c tt o u g h n e s s ( a i c ) w a s7 5 1o 3 矗匡) u n d e rt w o b o d ya b r a s i o n ，w e a rc h a r a c t e r i s t i c so fl o wc a r b o n - l o wb o r o na l l o yi s l o w e rt h a nh i g hc h r o m i u mc a s t i n gi r o nr e g a r d l e s so fl o wl o a do rh i 曲l o a d w h e nb o r o n c o n t e n to fm e d i u mc a r b o n a l t e r a b l eb o r o na l l o yi sl e s st h a n1 5 ，w e a rr e s i s t a n c eo fh i 曲 b o r o ni r o n b a s e da l l o yi se q u a lt ot h a to fh i g hc h r o m i u mc a s t i n g w h e nb o r o nc o n t e n to fa l l o y i sm o r et h a n1 5 ，w e a rr e s i s t a n c eo fh i g hb o r o ni r o n - b a s e da l l o y i ss i g n i f i c a n t l yh i g h e r i v t h a nt h a to fh i g hc h r o m i u mc a s t i n g t h eh i g h e rt h eb o r o nc o n t e n t ，t h eh i g h e rw e a rr e s i s t a n c e o fh i g hb o r o ni r o n - b a s e da l l o y w e a rr e s i s t a n c eo fh i g hc a r b o n - h i g hb o r o na l l o yi sb e t t e rt h a n t h a to fh i g hc h r o m i u mc a s ta n dw e a rr e s i s t a n c eo ft h eb e s ta l l o yi sc l o s et ot h a to fh i g h c h r o m i u mc a s tt h r e et i m e s ) u n d e rt w ob o d ya b r a s i o n ，w e a rr e s i s t a n c eo fh i g h c a r b o n h i g h b o r o na l l o yi sal i t t l eb e t t e rt h a nt h a to fh i g hc h r o m i u mc a s t w h e nb o r o nc o n t e n to fm e d i u m c a r b o n a l t e r a b l eb o r o na l l o yi sl e s st h a n1 5 ，w e a rr e s i s t a n c eo fh i g hb o r o ni r o n b a s e da l l o y i sb e t t e rt h a nt h a to fh i g hc h r o m i u mc a s t w h e nb o r o nc o n t e n ti sm o r et h a n2 0 ，w e a r r e s i s t a n c eo fh i g hb o r o ni r o n - b a s e da l l o yi sw o r s et h a nt h a to fh i g hc h r o m i u mc a s ta n dw e a r r e s i s t a n c ei sa l m o s td e c r e a s e dw i mi n c r e a s i n gc a r b o nc o n t e n t t h ea p p l i c a t i o no fi r o n - b a s e da l l o yo nb a l lc r u s h e rg r i n d i n gb a l li n d i c a t e st h a tg r i n d i n g b a l lo fl o wc a r b o n - h i g hb o r o ni r o n b a s e da l l o yh a sn on o b l ee l e m e n t ss u c ha sn i c k e l ， m o l y b d e n u r n ，c o b a l t c o m p a r i n g 谢ml l i g hc h r o m i u mc a s t ，p r o d u c t i o nc o s t si sr e d u c e db y m o r et h a n3 0 u s i n gg r i n d i n gb a l lo fh i g hb o r o ni r o n - b a s e da l l o yc a nr e d u c et h em a t e r i a l ， r e d u c ef r e q u e n c yo fs h u t d o w na n dg r i n d i n gb a l lt i m e s ，i n c r e a sp r o d u c t i v i t yo fb a l lc r u s h e r a n dh a v ev e r yg o o de c o n o m i cb e n e f i t s t h ea p p l i c a t i o ne f f e c to fh i g hb o r o ni r o n b a s e da l l o y o nm u dp u m pi sb e i n gt e s t e di nt h el a b o r a t o r y k e y w o r d ：h i g hb o r o ni r o n - b a s e da l l o y , w e a rr e s i s t a n tm a t e r i a l ，g r a p h i c a la n a l y s i s ，a b r a s i v e w e a r , c c tc u r v e v 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名k 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：k 娜年歹月日 导师签 名：冬主磕 长安大学博士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 材料破坏有三种主要形式：即断裂、腐蚀和磨损。材料磨损尽管不象另外两种形式， 很少引起金属工件灾难性的危害，但其造成的经济损失却是相当惊人的。据统计资料表 明：在失效的机械零件中，大约有7 5 - - 8 0 是属于金属磨损造成的。供给机器的能量 大约有3 0 - 5 0 消耗于摩擦和磨损过程中。零件磨损失效后，不但影响机器设备使用 效能的发挥，而且需要消耗大量人力、物力更换配件和维修设备。由磨损造成的经济损 失，美国约1 2 0 0 亿美元年，德国约5 0 0 亿马克年。据2 0 0 5 年统计，国内每年消耗金 属耐磨材料约达5 0 0 万吨以上，价值5 5 0 亿元以上【i 】。由此可见，金属磨损是造成机械 零件失效的主要形式之一，金属磨损是关系到国民经济发展的重要问题。 在科学技术高速发展的今天，国民经济的各个部门都对机械设备的耐用性、可靠性 和精度提出了更高要求。因此，研究金属的摩擦现象和磨损机理，探讨影响磨损的各种 因素，提高金属的抗磨能力，研制和开发新型抗磨材料，早已成为科技工作者面临的重 要课题。 金属磨损形式复杂多样。影响磨损的因素也是十分复杂，一个因素稍有变化都可使 磨损量改变并可使磨损的机理发生变化。同一磨损过程中，往往同时有几种磨损机理存 在，当磨损条件发生变化时，磨损会从一种机理为主转变为另一种机理为主。因此，研 究材料的耐磨性能要针对于一定的磨损系统，不能笼统地去讲耐磨性能。如果说一种材 料比另一种材料耐磨性好，应该指出什么条件下的耐磨性或者耐哪一种形式的磨损。常 见的磨损机理有：粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、微动磨损、冲蚀磨损以及腐蚀磨损 等。英国的t s e y r e 曾对工业领域中发生的各种磨损类型所占的比例作了大致的估计【2 】， 如表1 1 所示。但他没有将疲劳磨损专门考虑为一种磨损类型。 表1 1各种磨损所占的比例 根据磨损机理不同，材料的耐磨性可以分为：耐粘着磨损性、耐磨料磨损性、耐冲击 磨损性、耐冲蚀磨损性、耐高温磨损性、耐接触疲劳磨损性等等【3 7 1 。 由表1 1 可见，在工业领域中，磨料磨损是最重要的一种磨损类型，约占5 0 。 第一章绪论 磨料磨损现象广泛存在于大多数机械设备中，特别是在矿山机械、农业机械、工程机械 及铸造机械等，如交通行业的各种碎石机械、挖掘机、拖拉机、采煤机、运输机，泥浆 泵等。每年仅用于碎石设备如鄂式碎石机、锤式碎石机、反击式碎石机、冲击式碎石机 ( 制砂机) 、圆锥式碎石机、双辊式碎石机、泥浆泵等所消耗的耐磨材料就超过1 5 万吨， 价值2 0 亿元以上。随着交通建设速度的加快，磨损已成为交通行业普遍存在并成为引 起设备失效或材料破坏的主要原因。为了提高交通行业碎石设备和混凝土输送泵等设备 的使用效率，减少维修次数，降低生产成本。因此，研究和发展新一代耐磨材料，减少 金属磨损，对我国交通建设的发展具有重要的意义。 1 2 耐磨材料的现状 目前广泛应用的耐磨粒磨损的材料主要有三大类：锰系耐磨合金钢，以中锰和 高锰钢为代表：铬系耐磨合金钢，以中铬合金钢为代表：抗磨白口铸铁等。 1 2 1 锰系耐磨合金钢 锰对于钢的组织、工艺性能、力学与物理化学性能都有明显的影响。由于锰资源 丰富，效能多样，价格比较低廉，在抗磨合金中已经成为主要的合金元素之一。 ( 1 ) 高锰钢自1 8 8 2 年问世以来，已有1 0 0 多年的历史，该钢经过热处理后形成单一 的奥氏体组织，韧性非常好，在高冲击负荷下具有良好的加工硬化能力和耐磨性能，已 成为传统的耐磨材料，且得到广泛地应用【8 1 。铸造高锰钢化学成分具有高碳、高锰的特 点。为了改善高锰钢的各种性能，有时还要添加其他合金元素，如铬、钼、钒、钛、铌 盘 号手。 我国在2 0 世纪5 0 - - 6 0 年代几乎把高锰钢作为万能的耐磨材料使用。实践中发现，高 锰钢作为耐磨件是有条件限制的，只有在冲击大、应力高、磨料硬的情况下，高锰钢表 面产生加工硬化现象，表面硬度可f l 了h b 2 0 0 提高到h b 5 0 0 5 5 0 左右【i l ，这时它表现出良 好的耐磨性。高锰钢的加工硬化机理有不同的理论，如位错堆积理论，形变诱导相变理 论、形变孪晶理论等【3 】，因此，在冶金、矿山、建材、铁路和军工等许多领域得到了广 泛应用。但是高锰钢存在屈服强度低、易于变形，热处理温度高、不容易加工，在冲击 力不大、应力低的场合它反而不耐磨、铸造成型时，往往会因浇注冒口部位冷却速度过 快产生缩松，热裂倾向大，在水韧热处理时，又容易产生开裂和初始硬度低等问题0 1 ， 这就影响了高锰钢的性能和应用。虽然国内外材料研究者在提高高锰钢性能方面，作了 不少有益的探索，并取得了一些研究成果【1 1 13 1 ，但因在许多领域不能满足高锰钢的使用 2 篓塞盔堂蔓主堂垡堡塞 条件，高锰钢已逐渐为其它耐磨材料所替代。 ( 2 ) 中锰合金钢为了解决高锰钢在低冲击条件下加工硬化不充分，耐磨性不高 的问题，人们研究开发了中锰钢。中锰钢的化学成分主要为碳和锰，同时加入少量硅、 铬、钛等合金元素。其中碳的含量通常为0 8 0 - - - 1 5 0 ，猛的含量在6 0 - 9 0 。中锰钢 的铸态组织为奥氏体+ 马氏体+ 索氏体+ 碳化物，其铸态硬度h r c 4 0 - 4 5 ，冲击韧性qk 1 0 j e r a 2 。经过1 0 5 0 1 1 0 0 水韧化处理后，其热处理组织为单一的奥氏体或奥氏体+ 颗粒状碳化物，硬度为h b 2 0 0 - - 2 5 0 ，冲击韧性qk 7 5 0 j e m 2 。中锰钢通过降低奥氏体的 含锰量，从而降低奥氏体的稳定性，使其在冲击不大的条件下，也能产生足够的加工硬 化效果，达到提高材料耐磨性和使用寿命的目的。中锰钢的主要应用领域是工程机械的 小型锤式破碎机锤头、反击式破碎机锤头和衬板、小型球磨机衬板和鳄式破碎机鳄板等。 作为锤头和板锤应用，在破碎石灰石时，中锰钢的使用寿命比高锰钢提高一倍。作为球 磨机衬板使用，其使用寿命比高锰钢提高5 0 3 1 。 ( 3 ) 硅一锰系耐磨合金它是以硅、锰为基础，加入铬、钼、镍以及其它微量元 素而发展起来的。其合金系统由成分简单的单一锰系、硅系、铬系、铬锰系到成分复杂 的铬一锰一硅一钼一镍一其它微量元素的多元复合系统。硅一锰系耐磨钢具有较好的强一 韧性，在低、中冲击载荷下的耐磨性优于高锰钢【1 4 】，但存在淬透性和淬硬性低的不足， 因此，其耐磨性并不十分理想。 1 2 2 铬系耐磨合金钢 铬是抗磨钢铁材料中应用很广泛的合金元素。与锰相比，铬是比较稀缺贵重合金元 素，资源比较缺乏，但是铬元素在钢中具有许多重要的作用，因此，应该合理地使用铬 系耐磨合金钢，以节约资源，降低抗磨件的制造成本。在铬系耐磨合金钢中主要以中铬 合金钢的应用较为广泛。 中铬合金钢在国外是以c r m o 低合金钢为基础产生的铬系耐磨钢。国# b c r m o ( 氐合金 钢采用油淬火，在我国耐磨材料生产厂家热处理条件差，考虑到生产的可行性，提高铬 含量，采用空冷淬火，以解决高锰钢在低冲击下加工硬化不足的问题，故发展了中铬合 金铸钢。中铬合金铸钢的化学成分特点为：碳含量选择在中碳范围，即o 3 - 0 6 ，铬 是主要的添加元素，它一方面固溶于金属基体中，起到固溶强化的作用和提高合金的淬 透性的作用；另一方面与碳结合，形成高硬度弥散分布的颗粒状碳化物，提高钢的硬度。 为了在空冷中使钢获得足够的硬度和淬透性，铬量选定范围为4 0 - 6 0 。同时在钢中 加入少量镏、锰、硅等合金元素以提高钢的淬透性和回火稳定性。中铬铸钢的铸态组织 3 第一章绪论 为珠光体+ 粗针状马氏体+ 残余奥氏体，硬度较低。需要进行热处理以提高其硬度。热处 理工艺为：9 0 0 - - 9 8 0 保温一定时间后空冷，2 0 0 - - - 3 0 0 回火。经过热处理后，其金相 组织为回火马氏体，随含碳量的不同，其组织中还会存在颗粒状碳化物和残余奥氏体。 热处理后的力学性能随含碳量的不同而不同，qk 在1 5 1 2 0j c m 2 范围，硬度h r c 3 5 5 5 。中铬铸钢主要应用于球磨机衬板、中小型锤式破碎机锤头和鳄式破碎机鳄板。与高 锰钢相比，中铬铸钢衬板在使用中不变形、不断裂、耐磨性良好。在电厂磨煤机上应用 中铬铸钢衬板，其使用寿命可以达到6 年，而高锰钢衬板的寿命仅为2 年。 1 2 。3 抗磨自口铸铁 在抗磨白口铸铁方面，国内外广泛使用镍硬白口铸铁和铬白口铸铁l l j 。 ( 1 ) 镍硬白口铸铁铸态组织由网状分布的( f e ，c 0 3 c 共晶碳化物+ 初生奥氏体+ 共晶奥 氏体转变产物组成，这种铸铁含镍量高，铸态下奥氏体即可直接转变为马氏体，但因 m f 温度低于室温，残余奥氏体含量高达3 0 6 0 ，碳化物是呈连续网状分布的渗碳体， 显微硬度为8 4 0 1 2 0 0 h v ，具有较好的抗磨性。美国材料试验学会( a s t m ) 把镍硬铸 铁分为四种类型，分别称为镍硬1 、镍硬2 、镍硬3 和镍硬4 。其中前三种镍硬铸铁砂型铸 造的力学性能为：硬度h r c 5 3 5 6 ，抗弯强度5 8 5 , - - - , 8 0 4 n m m 2 ，冲击功2 7 1 - - - 4 7 5 j 。镍 硬4 是一种含镍量5 - - - 7 ，铬7 1 1 ，硅1 o 2 2 的高铬型镍硬铸铁。镍硬4 铸铁 的硬度和抗磨能力除了碳化物影响外，马氏体量也影响，含碳量3 2 5 的镍硬4 中马氏体 量可达到6 0 ，铸件硬度h r c 5 3 , - 、, 5 5 ；当马氏体量达到9 0 时，铸件硬度超过h r c 5 9 - 6 1 。镍硬4 是镍硬铸铁强度最好、抗冲击能力最强、具有优良抗磨能力的品种。虽然含 有较多的镍量，其性价比比较高，被许多用户接受，因此，在工业发达国家中，它被广 泛应用于采矿、水泥、火电站、工程机械、耐磨材料等行业。 在镍硬白口铸铁中含有较多的镍、铬、钼等贵重金属元素，加入镍的目的是有利于 获得马氏体、贝氏体基体，加入铬、钼的作用为提高镍硬铸铁淬透性、提高碳化物硬度 和拟制石墨析出。同时随着铬量增加，碳化物将由m 3 c 型转变为m 7 c 3 型，改善铸铁的韧 性。但是国际上普遍感到镍资源短缺，价格昂贵。许多国家已经取消镍硬4 这个品种。 镍硬铸铁逐渐被高铬铸铁代替，我国在改革开放初期从国外进口的设备上使用镍硬铸 铁，现已不使用。 ( 2 ) 铬系白口铸铁多年来，国内外的研究者对于铬在铸铁中的作用进