（材料加工工程专业论文）一种高强低合金nm400耐磨钢板的成分设计及工艺研究.pdf

at h e s i si nm a t e r i a l sf o r m i n ge n g i n e e r i n g c o m p o s i t i o nd e s i g na n dp r o c e s s i n g r e s e a r c ho f a h i g hs t r e n g t hl o wa l l o y w e a r - r e s i s t a n t s t e e ln m 4 0 0 b yc a o y i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw u d ia n d a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gz h a o d o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 = f e 思0 学位论文作者签名： 唔划 日 期：洲c f 蜂b 日旅日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文摘要 一种高强低合金n m 4 0 0 耐磨钢板的成分设计及工艺研究 摘要 本文针对目f j f 国内工程机械对低合金耐磨钢种的需求，在对住友公司生产的k 4 0 0 耐磨钢板成分及性能剖析的基础上，通过对热轧工艺及热处理工艺对性能的影响进行研 究，开发了一种新型的高强度低合金耐磨钢板r a l - n m 4 0 0 。新耐磨钢种依据低成本、 高性能的原则，采用低碳、低合金的成分设计思想，以保证焊接性。论文主要内容如下： 分析了目前工程机械上常用耐磨钢板的成分结构，根据c 、s i 、m n 等元素的强化 作用及c r 、m o 、b 等元素提高淬透性的作用，设计了1 拌、2 两种成分钢。2 钢中含有 c r 、n i 、m o 等合金元素，从成本方面考虑，在1 j f ；! 钢中没有添加n i 、m o 元素。1 撑钢、 2 捍钢的碳当量分别为0 4 9 4 4 和0 5 4 6 5 ，以保证新耐磨钢种的焊接性能。 研究了1 钢、2 钢奥氏体化后连续冷却转变规律，在连续冷却转变( c c t ) 曲线中， 相变区域主要为三部分：铁素体、贝氏体区、马氏体区。随冷却速度的增加，晶粒随之 变细；合金元素的添加会使c c t 曲线右移，推迟奥氏体向铁素体及珠光体转变，从而 降低钢的临界冷却速度，在低冷速下更容易形成贝氏体及马氏体，因此2 撑钢具有更好的 淬透性；同时合金元素的添加，降低了马氏体转变温度；硬度随冷却速度提高而升高， 高温转变时2 撑钢的硬度比1 撑钢的值高，形成马氏体后硬度比1 存钢低。 轧后组织及性能表明，采用奥氏体再结晶区轧制，省去中间待温时间而缩短轧制周 期。热轧后的主要组织为贝氏体组织+ 铁素体及少量珠光体组织。轧后晶粒细小，抗拉 强度在7 0 0 m p a 以上。 淬火工艺参数( 包括加热温度及保温时间) 及回火工艺参数( 包括回火温度及保温 时间) 对r a l n m 4 0 0 组织及性能的影响表明，淬火后得到基体组织均为板条状马氏体 组织，随加热温度的升高晶粒逐渐粗化。加热温度在9 1 0 时奥氏体化未完全，存在少 量铁素体组织，加热温度在9 5 0 时，得到的马氏体组织比较完全，硬度随加热温度升 高而升高。随着淬火保温时间的延长，实验钢的硬度、强度提高，塑性、韧性降低。2 0 0 3 0 0 回火时，基体组织为回火马氏体；3 0 0 - - 4 0 0 回火，渗碳体逐渐脱出q 相而析 出；4 0 0 。c - - 一5 0 0 。c 以上开始聚集长大，最终形成粒状渗碳体。当回火温度在2 5 0 c 时， 硬度有升高现象，之后随回火温度升高而下降。强度随回火温度的升高而降低，塑性呈 上升趋势。在回火温度2 5 0 。c - - - 4 0 0 时出现回火脆性，冲击韧性变差。实验钢的强度和 硬度随回火保温时间延长而下降，塑性变化不明显。1 j f j 钢的硬度、强度高于2 钢，冲击 东北大学硕士学位论文摘要 韧性低于2 # 钢。 所设计的r a l - n m 4 0 0 低合金耐磨钢板1 撑钢和2 撑钢热处理后布氏硬度在h b 4 2 6 - - - h b 4 2 9 之间、2 0 。c 下冲击韧性在7 0 j c m 2 以上，符合国家标准规定的布氏硬度在h b 3 7 0 - - - h b 4 3 0 之间、2 0 c 下冲击韧性在2 4 j c m 2 以上的要求。 关键词：低合金耐磨钢；热处理；显微组织；硬度；冲击韧性 i v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p o s i t i o nd e s i g na n d p r o c e s s l n gr e s e a r c l l0 ta -， h i g hs t r e n g t hl o wa l l o yw e a r - - r e s i s t a n ts t e e ln m 4 0 0 a bs t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yf o c u so nd e m a n d st h a td o m e s t i ce n g i n e e r i n gm e c h a n i c a li n d u s t r y 慷havef o rl o wa l l o yw e a r - r e s i s t a n ts t e e l a n dd e v e l o p san e wt y p eh i g hs t r e n g t hl o wa l l o y w e a r - r e s i s t a n ts t e e lr a l - n m 4 0 0 ，w h i c hi sb a s e do nd e e pa n a l y s i so fc o m p o s i t i o na n d p r o p e r t yo fw e a r - r e s i s t a n ts t e e lk 4 0 0p r o d u c e db ys u m i t o m oc o m p a n y w i t hl o wc o s t ，h i g h p e r f o r m a n c e ，t h i sn e wt y p eo fw e a r - r e s i s t a n ts t e e lh a si t sw e l d a b i l i t yg u a r a n t e e db yu t i l i z i n ga t h e o r yo fl o wc a r b o na n dl o wa l l o y ，a n di n f l u e n c eo fh o t r o l l i n ga n dh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s i n g o ni t sp r o p e r t yi sa l s ob e i n gd i s c u s s e da sf o l l o w s f i r s t l yw ea n a l y z et h ec o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo fr e g u l a rw e a r r e s i s t a n t s t e e lf o r e n g i n e e r i n gm a c h i n ea n dd e s i g na1 拌a n da 2 存s t e e lw i t hd i f f e r e n tc o m p o s i t i o n a c c o r d i n gt o t h es t r e n g t h e n i n ge f f e c to fc ，s ia n dm na n dh a r d e n a b i l i t yi n c r e a s i n ge f f e c to fc r ，m oa n db 2 群c o n t a i n sc r ，n ia n dm oa n ds oo n ，a n dl 群h a si ni t s e l fn ia n dm o ，w i t hc a r b o ne q u i v a l e n t f o re a c hb e i n g0 4 8a n d0 5 4 w h i c hg u a r a n t e e st h ew e l d a b i l i t yo ft h i sn e ww e a r - r e s i s t a n t s t e e l t h et r a n s f o r m i n gd i s c i p l i n eo fc o n t i n u o u sc o o l i n go fa u s t e n i z e d1 群a n d2 群i sb e i n g d i s c u s s e d t h ep h a s et r a n s i t i o na r e ai nc o n t i n u o u sc o o l i n gt r a n s i t i o n ( c c t ) c u r v eh a sm a i n l y t h r e ep a r t s ：p r e e u t e c t o i df e r r i t ew i t hb a i n i t e ，b a i n i t ea n dm a r t e n s i t e t h ep a r t i c l e sb e c o m e f i n e ra sc o o l i n gs p e e di n c r e a s e s t h ea d d i n go fa l l o ye l e m e n tw i l lm a k ec c tc u r v em o v et o t h er i g h t ，p o s t p o n i n ga u s t e n i t e st r a n s i t i o ni n t of e r r i t eo rp e a r l i t e ，w h i c hl o w e r st h ec r i t i c a l c o o l i n gs p e e do ft h es t e e la n dt h u sm a k e si t e a s i e rt of o r mb a i n i t ea n dm a r t e n s i t ei nl o w c o o l i n gs p e e d s o2 群i sc o n s i d e r e dt oh a v eab e t t e rh a r d e n a b i l i t y ；m e a n w h i l e 。t h ea d d i n go f a l l o ye l e m e n tl o w e r st h em a r t e n s i t et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ；t h eh a r d n e s s i n c r e a s ea s t h e c o o l i n gs p e e di n c r e a s e s ，a n dh a r d n e s s o f2 群i sh i g h e rt h a nt h a to f1 ，w h i l ec o n t r a r y p h e n o m e n o nh a p p e n sa f t e rm a r t e n s i t ei sf o r m e d t h et e x t u r ea n dp r o p e r t yo ft h es t e e la f t e rr o l l e ds u g g e s tt h a tm a i nt e x t u r ea f t e rr o l l e di s b a i n i t e ，f e r r i t ea n dm i n i m u ma m o u n to fp e a r l i t e ，i fw ea p p l ya u s t e n i t er e c r y s t a l l i z a t i o na r e a r o o l i n g ，o m i t t i n gi t sh o l d i n gt i m ea n ds h o r t e n i n gi t sr o l l i n gc y c l e t h ec r y s t a lg r a i ni sf i n e v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a f t e rr o l l e dw i t hi t st e n s i l es t r e n g t ho v e r7 0 0 m p a t h ei n f l u e n c eo fq u e n c h i n gp r o c e s sp a r a m e t e r ( i n c l u d i n gh e a t i n gt e m p e r a t u r ea n d h o l d i n gt i m e ) a n dt e m p e r i n gp r o c e s sp a r a m e t e r ( i n c l u d i n gt e m p e r i n gt e m p e r a t u r ea n dh o l d i n g t i m e ) o nt e x t u r ea n dp r o p e r t yo fr a l - n m 4 0 0i n d i c a t e st h a tm a t r i xt e x t u r ei su n i f o r m l y m a r t e n s i t ea n dg r a i n sg r a d u a l l yc o a r s ea st h eh e a t i n gt e m p e r a t u r er i s e s t h e r ea r es m a l l a m o u n to ff e r r i t ea n ds t e e li sn o tf u l l ya u s t e n i z e dw h e nh e a t i n gt e m p e r a t u r ei s910 。cu n t i lw e g e taf u l l ya u s t e n i z e dt e x t u r ea t9 5 0 。c ，w i t hi t sh a r d n e s si n c r e a s ew i t hh e a t i n gt e m p e r a t u r e a st h eq u e n c h i n gh o l d i n gt i m ei sp r o l o n g e d ，t h e r ew i l lb ei n c r e a s ei nh a r d n e s s ，s t r e n g t ha n d d e c r e a s ei np l a s t i c i t ya n dt o u g h n e s s w h e nt e m p e r e da t2 0 0 。c 30 0 * c ，m a t r i xi sc o n s i s t e do f t e m p e r e dm a r t e n s i t e ，a n dw h e nt e m p e r e da t3 0 0 。c - 4 0 0 。c ，t h e r ew i l lb e q p h a s es e p a r a t e d o u tf r o mc e m e n t i t ea n dt h e yw i l lc o n g l o m e r a t ea n dg r o wu n t i lf i n a l l yg r a n u l a rc e m e t i t ei s f o r m e d w h e nt e m p e r i n gt e m p e r a t u r er e a c h e s2 5 0 。c ，t h eh a r d n e s si n c r e a s e sf i r s ta n dt h e n d e c l i n ea st h et e m p e r a t u r ec o n t i n u e st or i s e t h es t r e n g t hd e c l i n e sw h i l ep l a s t i c i t yg o e su p w i t ht e m p e r i n gt e m p e r a t u r er i s e s t e m p e r i n gb r i t t l e n e s so c c u r sw h e n t e m p e r i n ga t2 5 0 * ( 2 - 4 0 0 a n dt h ei m p a c td u c t i l i t yw i l lw o r s e n t h es t r e n g t ha n dh a r d n e s so ft h es p e c i m e nd e c l i n ea s t h et e m p e r i n gh o l d i n gt i m ei sp r o l o n g e d ，w i t hn oe v i d e n tc h a n g ei np l a s t i c i t y t h eh a r d n e s s ， s t r e n g t ho fl # i sh i g h e rt h a n2 存b u ti t si m p a c td u c t i l i t yi sl o w e rt h a n2 撑 t h eb r i n e l lh a r d n e s so fl o w a l l o yw e a r r e s i s t a n ts t e e lp l a t er a l - n m 4 0 01 a n d2 捍a f t e r h e a tt r e a t m e n ti sb e t w e e nh b 4 2 6a n dh b 4 2 9 ，i m p a c td u c t i l i t yi so v e r7 0 j c m 2a t 2 0 。c ，a n d t h i si si na c c o r d a n c ew i t hg bc r i t e r i o no fb r i n e l lh a r d n e s sb e i n gh b 3 7 0 , - - 。h b 4 3 0a n do f i m p a c td u c t i l i t yb e i n go v e r2 4 j c m 2a t 2 0 。c k e yw o r d s ：l o wa l l o yw e a r - r e s i s t a n ts t e e l ；h e a tt r e a t m e n t ；m i c r o s t r u c t u r e ；h a r d n e s s ；i m p a c t d u c t i l i t y v i - 佛 东北大学硕士学位论文 目录 目录 声明i 摘要i i i a b s t r a c t v 目录v i i 第1 章绪论1 1 1 前言1 1 2 耐磨钢及磨损机理1 1 2 1 耐磨钢( 铁) 分类1 1 2 2 磨损机理及对耐磨钢的要求3 1 3 耐磨低合金钢的发展现状及特点7 1 3 1 低合金耐磨钢的金相组织及性能8 1 3 2 低合金耐磨钢发展状况及应用1 0 1 4 本文的研究目的及内容1 1 1 4 1 研究目的1 1 1 4 2 研究内容1 1 1 4 3 技术路线13 第2 章k 4 0 0 组织性能剖析1 5 2 1k 4 0 0 介绍15 2 2k 4 0 0 的成分。1 5 2 3k 4 0 0 的显微组织及力学性能1 5 2 4k 4 0 0 的热处理工艺研究1 6 2 4 1 热处理实验方案1 6 2 4 2 淬火加热温度对k 4 0 0 组织性能的影响1 7 2 4 3 回火温度对k 4 0 0 组织性能的影响2 0 2 4 4 热处理工艺的优化2 5 v i i 东北大学硕士学位论文 目 录 2 5 本章小结2 8 第3 章r a l 4 0 0 的成分设计2 9 3 1 设计思路2 9 3 2 成分设计的原则2 9 3 2 1 耐磨钢的组织和性能要求2 9 3 2 2 本实验材料组织和性能的设计3 2 3 3 化学成分的设计3 2 第4 章r a l 4 0 0 连续冷却过程相变研究3 5 4 1 实验方法3 5 4 1 1 热膨胀法3 5 4 1 2 实验方案3 6 4 2 实验结果分析3 6 4 2 1c c t 曲线分析3 7 4 2 2 冷却速度对相变组织影响一：3 9 4 2 3 冷却速度对硬度的影响4 2 4 3 本章小结4 3 第5 章r a l n m 4 0 0 轧制与热处理工艺研究4 5 5 1 实验方案4 5 5 1 1 热轧工艺方案4 5 5 1 2 热处理工艺实验方案4 6 5 1 3 组织及性能检验方案4 9 5 2 热轧后的组织性能分析5 1 5 2 1 热轧后的显微组织：5 1 5 2 2 热轧后的力学性能51 5 3 热处理后的组织性能分析5 2 5 3 1 淬火保温时间对组织性能的影响5 2 6 o 4 5 6 6 东北大学硕士学位论文 目 录 5 4 本章总结7 4 第6 章结论7 7 参考文献7 9 致谢8 l i x 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 众所周知，磨损是机械设备重要的失效方式。我国每年因磨损消耗的金属耐磨材料 约3 0 0 万吨以上。磨损不仅引起设备零件失效，导致工件更换和维修频繁、设备工作效 率降低，而且消耗了大量的能源和材料。据不完全统计，我国仅在冶金、矿山、电力、 煤炭和农机部门，由于工件磨损而造成的经济损失每年约4 0 0 亿元【l j 。工业发达的国家， 机械装备及其零件的磨损所造成的经济损失占国民经济总产值4 左右。因此，解决磨 损和延长机械设备及其部件的使用寿命成为设计、制造和使用各种机械设备所需要考虑 的首要问题。可见，大力开展钢铁耐磨材料的研制和磨损的研究，提高耐磨材料的质量， 开发新型高性能耐磨材料，以降低由于摩擦、磨损造成的损失，对于国民经济建设的发 展是一件具有重要意义的工作。 耐磨钢广泛用于矿山机械、工程机械、农业机械、建材、电力机械、铁路运输等部 门。例如，球磨机的钢球、衬板，挖掘机的斗齿、铲斗，各种破碎机的轧臼臂、破碎臂、 齿板、锤头，拖拉机和坦克的履带板，风扇磨机的打击板，铁路辙叉，煤矿刮板运输机 用的中板、槽帮、圆环链，推土机用铲刀、铲齿，大型电动轮车车斗用衬板等等，种类 繁多，用途极其广泛。 如今，耐磨钢的发展趋势正向低、微合金化方向发展，应用低、微合金化技术，并 使其与新工艺、新技术、新设备结合起来。低合金耐磨钢由于具有较高硬度和足够韧性 等综合性能，作为耐磨材料已得到越来越多的重视。目前，我国所用的低合金耐磨钢板 主要依靠从国外引进。如瑞典s s a b 钢铁公司研究开发的h a r d o x 4 0 0 、h a r d o x 5 0 0 等系 列耐磨钢板以及日本住友金属公司生产的“s u m i h a r d k ”系列耐磨钢。通过引进这 些钢板会使制造成本大幅增加。因此，迫切需要我们自主研发的低合金耐磨钢板。本课 题就是要通过对目前使用比较广泛的低合金耐磨钢进行研究，自行设计出一种低合金耐 磨钢，为开发新型的低合金耐磨钢系列产品奠定基础。 1 2 耐磨钢及磨损机理 1 2 1 耐磨钢( 铁) 分类 材料的破坏有三种形式：即断裂、腐蚀和磨损。材料磨损尽管不像另外两种形式， 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 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【2 】。据早期统计， 由磨损造成的经济损失，美国约1 5 0 亿美元年，西德约1 0 0 亿马克年，前苏联约1 2 0 亿卢布年。在各类磨损中，磨料磨损又占有重要地位，在金属磨损总量中占5 0 ，在 冶金矿山、建材、电力、农机、煤炭行业磨料磨损尤为严重【3 1 。因此，研究和发展用磨 料磨损条件下的耐磨材料，以减少金属磨损，对国民经济有重要的意义。 目前应用比较广泛的耐磨材料有：高锰钢、耐磨白1 3 铸铁、耐磨球墨铸铁、中低合 金耐磨钢。 1 2 1 1 高锰钢 高锰钢及中锰钢因具有一定的强度、高的韧性和优异的加工硬化性能而成为应用广 泛的一类耐磨钢。高锰钢是历史最悠久的一种耐磨材料，是由英国r o b e r t h a d f i e l d 于1 8 8 2 年发明的，故亦称h a d f i e l d 钢。奥氏体高锰钢最初是在纯铁中加入锰铁得到的，经水淬 后得到单相奥氏体组织。1 8 8 3 年，h a d f i e l d 获得英国专利，在随后得几年里测定了它的 物理性能及工艺性能。1 8 9 2 年，第一次使用这种材料制作铸件。1 8 9 6 年确定了它的热 处理的水淬温度。1 9 0 2 年进一步确定了高锰钢铸件的水淬温度应为9 8 0 1 0 5 0 ，以保 证钢的韧性和强度。后来经不断研究将碳含量大体确定为1 2 左右，锰含量定为1 2 - 1 3 左右，并且一直沿用到现在 4 1 。高锰钢包括了m n l 3 、m n l 7 和m n 2 5 系列耐磨钢，其中 m n l 3 系列耐磨钢是历史最久，应用最广泛的耐磨钢。 由于锰含量和碳含量较高，钢的铸态组织为奥氏体及碳化物，经1 0 5 0 左右加热和 水淬处理( 通常称为水韧处理) 后，绝大部分碳化物固溶于奥氏体中，钢的显微组织为 单相奥氏体或奥氏体加少量碳化物，因此该钢具有良好的塑性和韧性，而且裂纹扩展速 率很低，使用中安全可靠。该钢的另一个主要特点是，在较大的冲击载荷或接触应力的 作用下，表面层迅速产生加工硬化，表面硬度急剧升高，因此具有良好的耐磨性；而内 部仍保持良好的韧性，能承受冲击载荷而不断裂。 这类钢特别适用于冲击磨料磨损和高应力碾碎磨料磨损工况，常用于制造球磨机衬 板、锤式破碎机锤头、颚式破碎机颚板、圆锥式破碎机轧臼壁和破碎壁、旋回式破碎机 衬板、挖掘机斗齿、铁道道岔、拖拉机和坦克的履带板等抗冲击、抗磨损的零部件【5 j 。 1 2 1 2 耐磨铸铁 根据铸铁中高碳相的存在形态，工程上将耐磨铸铁分为耐磨白口铸铁和耐磨球墨铸 铁两大类。根据耐磨白口铸铁中主要合金元素的种类与添加量的多少，又可分为普通白 口铸铁、镍硬铸铁和铬系白口铸铁等。耐磨球墨铸铁则主要指马氏体球墨铸铁、贝氏体 球墨铸铁和中锰球墨铸铁。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 普通白口铸铁的耐磨性不是很好，但因其价格低廉，生产简便，目前还应用在某些 工况，如面粉机磨辊、球磨机磨段和清理设备中的铁丸及星铁等。镍硬铸铁是含镍、铬 的白口铸铁，加镍是为了提高铁的淬透性【6 j ，有助于获得以马氏体为主的金属基体，但 同时会伴随有大量残留奥氏体。镍硬铸铁可用于许多磨损工况通常可与其它白口铸铁、 合金钢或高锰钢相“竞争”。镍硬铸铁比普通白口铸铁优越得多，但在许多情况下不如 高铬钼白口铸铁，当代替钢时，必须保证在使用条件下不碎裂。 1 2 1 3 中低合金耐磨钢 虽然高锰钢作为传统的耐磨材料得到广泛的应用，我国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。但在实践中发现，高锰钢的耐磨性是有条件的，只有 在冲击大、应力高、磨料硬的情况下，高锰钢才耐磨，而且其屈服强度低、易于变形。 因此，在许多领域已逐渐为其它耐磨材料所代替。在水泥、陶瓷、矿山、电力等行业的 主要机械锤式破碎机中，其锤头是最主要的易磨损件，长期以来多采用高锰钢制造， 当破碎物料受到的冲击并不强烈时，高锰钢具有的加工硬化性能不能充分得以发挥，因 此高锰钢锤头表现出磨损快，使用寿命短的弱点。针对高锰钢应用场合的局限结合工况 条件，科研人员研制出了多种耐磨合金钢。这些耐磨钢具有优良的强韧性、耐磨性和耐 蚀性，且成本不高，适于制造各类耐磨铸件。根据耐磨合金钢中合金含量的不同可分为 低合金耐磨钢、中合金耐磨钢和高合金耐磨钢。低合金耐磨钢由于具有较高硬度和足够 韧性等综合性能【7 】，作为耐磨材料已引起人们的广泛重视。研究人员通过调整成分与热 处理工艺，能在较大范围内控制低合金耐磨钢硬度和韧性的合理匹配，使其满足不同磨 损工况的需要。 1 2 2 磨损机理及对耐磨n t i s 3 要求 1 2 2 1 磨损机理概述 耐磨钢是广泛用于各种磨损工况的一类耐磨材料。耐磨钢的耐磨性不是钢的固有性 能，而是钢在一个磨损系统中的性能，它既受钢固有性能如硬度、韧性和强度的影响， 又受磨损工况的影响。 磨损是一种复杂的现象。直到目前为止，尚未有一条简明的定量定律及确切统一的 磨损定义。英国机械工程师协会的一个委员会给磨损的定义为：由于机械作用而造成物 体表面材料的逐渐损耗。克拉盖尔斯基的定义为【8 】：由于摩擦结合而反复扰动而造成的 材料的破坏。前者似乎排除了电和化学所产生的作用，后者则过于强调疲劳的作用。邵 荷生则认为1 9 】：由于机械作用、间或伴有化学或电的作用，物体工作表面材料在相对运 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 动中不断损耗的现象称为磨损，并指出： ( 1 ) 磨损并不局限于机械作用，还有由于伴同化学作用而产生的腐蚀磨损，由于 界面放电作用而引起物质转移的电火花磨损，以及由于伴同热效应而造成的热磨损等现 象都在磨损的范围之内。 ( 2 ) 特别强调磨损是相对运动中所产生的现象，因而橡胶表面老化、材料腐蚀等 相对运动中的现象不属于磨损研究的范畴。 ( 3 ) 磨损发生在运动物体材料表面，其它非表面材料的损失或破坏，不包括在磨 损范围之内。 ( 4 ) 磨损是不断损失或破坏的现象，损失包括直接耗失材料和材料的转移( 材料 从一个表面转移到另一个表面上去) ，破坏包括产生残余变形，失去表面精度和光泽等。 不断损失或破坏则说明磨损过程是连续的、有规律的，而不偶然的几次。 由磨损定义可知，磨损是一种十分复杂的微观过程，影响因素甚多，因此关于磨损 的分类方法也较多。最常见的磨损分类是按磨损机理来分类，即粘着磨损、磨料磨损、 冲蚀磨损、微动磨损、疲劳磨损等。实际工况中，材料的磨损往往不只是一种机理在起 作用，而是几种机理同时存在，只不过是某一种机理起主要作用而已。而当条件变化时， 磨损也会发生变化，会以一种机理为主转变为以另一种机理为主。这就要求我们对实际 的磨损情况要具体地加以分析，找出主要的磨损方式或磨损机理。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如表1 1 的估计。表中没有将疲劳磨损 专门考虑为一种磨损类型。 表1 1 各种磨损类型所占比例 t a b l e1 1t h ep r o p o r t i o no fv a r i o u sw e a rt y p e s 1 2 2 2 磨料磨损机理 磨料磨损机理是指磨料颗料与材料表面相互摩擦作用过程中，材料表面的磨屑从材 料表面产生和脱落方式、本质和规律【l o 】。球磨机的衬板与钢球；农机与矿山机械零件磨 损都以磨料磨损为主。 ( 1 ) 微切削磨损机理 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 当一个磨料在外力作用下与材料表面发生相互作用时，磨粒作用在材料表面上的力 p ，可分为法向力n 和切向力t 。法向力使磨料压入表面，如硬度实验一样，在表面上 形成压痕。切向力使磨料向前推进。当带有锐利棱角的磨料的位向适当时，磨料就像刀 具一样，对表面进行切削，而形成切屑。虽然“刀具”，即一般的磨料大多具有负前角 的特征，且大部分磨粒棱角比车床、刨床所用刀具刃口钝得多，因此磨粒切削过程使材 料表面产生更大程度的塑性变形，变形部位主要在切槽底部及两侧，但在显微镜下观察， 这些微观切屑仍具有机加工中切屑特征。微切屑的长宽比一般比较大，常有卷曲现象。 微切削类型的磨损是经常见到的，特别是在固定磨料磨损和凿削式磨损中，是材料 表面磨损的主要机理。即使在磨料极易发生滚动的三体磨料磨损过程中，也会发生微切 削形式的磨料磨损。 ( 2 ) 多次塑变( 犁皱或微观压入) 导致断裂的磨损机理 对于塑性较好的材料，当磨粒形状较圆钝或者磨粒和被磨材料表面间的夹角( 迎角) 太小时，磨料在表面滑过后，往往只犁出一条沟。若磨粒作用于材料，形成犁沟时的全 部沟槽体积都被推向两旁和前缘先不产生任何切屑，则称为犁皱。犁沟或犁皱后堆积在 两旁和前缘的材料以及沟槽中的材料，当受到随后的磨料作用时，可能把堆积起的材料 重新压平，也可能使己变形的材料遭到再一次的犁沟或犁皱变形。如此反复塑变，使材 料局部不足以承受外力而撕裂脱落，或者使材料因加工硬化或其它强化作用( 如形变诱 导相变、再结晶等) 而变脆，最终剥落而成为磨屑。这种机制产生的磨屑大多呈片块状。 ( 3 ) 微观断裂( 剥落) 磨损机理 磨料磨损时，由于磨粒的压入，大多数材料都会发生塑性变形。但有些材料，特别 是脆性材料，塑性变形很小，裂纹扩展导致断裂脱落的机理可能占支配地位。 ( 4 ) 疲劳导致断裂的磨损机理 这种机理由克拉盖尔斯基( h b k r a g e l s k y ) 1 1 】提出。他认为，疲劳磨损机理在一 般磨粒磨损中起主导作。这里的疲劳是指应力疲劳，指应力幅不超过材料弹性极限的重 复应力循环引起的一种特殊破坏形式。发生的原因是多晶材料变形的不均匀性，即虽然 平均应力小于弹性极限，但局部微观组织上的实际应力会大于屈服点而产生塑性变形。 疲劳磨损与多次变形表层破坏过程之间存在着许多共性，而且两种机理可以同时发 生。这两种机理的区别在于作用于金属内部的应力以及相应的表层变形不同。前者作用 的应力低于屈服点，而后者的变形破坏过程则在宏观塑性变形条件下进行的。这种磨料 磨损时材料的微观局部塑性变形实际上一种微观应变疲劳导致的材料损伤。 以上是磨料磨损可能出现的几种机理。必须加以说明，即磨料磨损过程中往往有几 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 种机理同时存在，由于磨损时外部条件或内部组织的变化，磨损机理也会相应地发生变 化，往往从以一种机理为主转变为以另一种机理为主。在一个确定的磨损系统中，上述 各种磨料磨损机理所占的比例随磨料特性、材料性质和其它系统参量的变化而变化。几 种机理中，以微切削对材料所造成的磨损最为严重，断裂的影响在某些脆性较大的材料 中也相当严重。 1 2 2 3 影响磨料磨损的主要因素 材料的磨料磨损耐磨性不是材料的固有性质，而是与它服役的磨损系统中影响磨损 的各因素有关。影响材料磨料磨损耐磨性的因素很多。这些因素可分为两类：一是材料 的成分、组织结构和由组织所决定的性能，即内部因素；另一类是外部因素，包括磨料 特性和磨料与材料相互作用时的接触应力、相对运动速度、环境介质、温度等。 另外，材料的磨料磨损特性还具有动态属性，即材料在磨损过程中发生的加工硬化、 热影响下的相变、再结晶、退火或回火软化等，使得材料在磨损过程中的性质已经不同 于材料磨损前的原始性质，零件表面连续不断与磨料相互作用，使得零件表面层处于一 动态平衡状态。材料耐磨性既与材料的原始性质有关，又与磨损过程中材料表面微区在 外部因素影响下瞬时的性能变化有更密切关系。耐磨性随着摩擦时的外部条件和材料内 在因素的变化而变化。系统各种参量的变化，都会对系统的其它参量产生影响，从而影 响材料耐磨性【1 2 j 。 影响材料磨料磨损的因素包括材料的化学成分、微观组织特征及力学性能等【1 3 。5 1 。 ( 1 ) 材料的化学成分 金属材料的化学成分和热处理状态决定了它们的组织。以铁基材料为例，耐磨性与 化学成分、微观组织有关。对一定组织类型的钢，它们的耐磨性随含碳量增加而增加。 对于淬火和回火钢，碳是最有影响的元素，因为马氏体的硬度主要决定于含碳量。对于 珠光体类钢，随着含碳量的增加，硬度较高的碳化物f e 3 c 的量增加，也使耐磨性增加， 但过共析钢的增加量要较小些，这是因为过共析碳钢的碳增加后形成连续的碳化物网所 致。其它合金元素对钢的耐磨性的影响没有碳那么大，形成碳化物元素能使耐磨性增加， 但增加量决定于碳化物的类型、大小、形状、分布和共格性等。强化铁素体基体的合金 元素，一般对磨料磨损的影响并不显著。马氏体和回火马氏体钢的耐磨性与硬度成正比， 但比例系数在不同回火温度范围内是不同的。 ( 2 ) 材料的微观组织 影响磨料磨损的微观组织参数主要有基体组织、第二相、夹杂物，晶界、内缺口和 各向异性等。对于铁基合金来说，基体组织种类有铁素体、珠光体、贝氏体、奥氏体、 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 马氏体和回火马氏体等，基体组织对耐磨性的具体影响将在后面详细说明。基体中的第 二相包括沉析出物、弥散物及软的微观组织物( 如硬基体中的残留奥氏体及铁素体) 等。 ( 3 ) 材料的力学性能 1 ) 硬度。材料的表面硬度对磨料磨损的影响很大，很多人的研究结果表明纯金属 的相对