（材料加工工程专业论文）低合金钢耐磨材料组织和性能的研究.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 摘要 在磨料磨损的工况条件下工作的低合金耐磨钢，不仅要求材质具有较高的硬 度和韧性，还要有较好的的耐磨性，才能满足其使用性能的要求。本文根据冷筛 板的工况条件及对其失效情况的分析，设计了4 组低合金耐磨钢的成分，它们的 c r 、n i 、s i 、m n 、b 、和r e 的含量基本相同，改变了c 和m o 元素的含量，设 计了几组不同的淬火和回火温度，通过金相组织观察和x 射线衍射仪分析了本 试验材料在铸态和热处理后的显微组织；对本试验材料进行洛氏硬度测试，并测 试了热处理后试验材料的冲击韧度，在m l 1 0 0 型磨料磨损试验机上测试了热处 理后试验材料的耐磨性能：用s e m 对冲击试样的断口和磨损试样的表面形貌进 行了扫描分析，并研究了磨粒尺寸对试验材料耐磨性能的影响。 试验结果如下：本低合金耐磨钢的铸态组织为珠光体组织，经淬火+ 回火的 热处理工艺后其基体组织为板条状马氏体，另外还有少量的残余奥氏体，并且随 着试验材料含碳量的增加其碳化物的数量增多，碳化物弥散的分布在基体上，可 以增加实验材料的硬度，但对材料的韧性造成一定程度的损害。9 1 0 淬火保温 l 小时，2 3 0 回火保温两个小时后试验材料可以得到最佳的组织和性能，硬度 可达5 0 h r c ，冲击韧度a t 4 5 j c m 2 ，随着淬火温度的升高，试验材料的硬度增 加，冲击韧度下降，并且在对冲击断口进行s e m 扫描分析后发现，断口的韧窝较 深，多为韧性断裂，在对热处理后的实验材料进行磨损实验后，发现试验材料的 耐磨性随试样的硬度的增加而提高，对磨损试样的表面形貌进行s e m 扫描分析， 其磨损方式为微观切削机制，并且试验材料的耐磨性随着磨粒尺寸的增大而下 降。 通过本次试验，获得了一种既有良好的强韧性及耐磨性，价格又低廉的耐磨 材料。 关键词：低合金钢耐磨性热处理工艺硬度显微组织断口形貌 l i 塑型查兰堡主兰垡堡兰 垒垡翌堡垒旦 a b s t r a c t f o rt h e1 0 wa 1 1 0 yw e a r r e s i s t a i l ts t e e lw o r k i n ga ta b r a s i v ew e a r ，n o to n l yh i g h h a r d n e s sa n dh i g ht e n a c i t y ，b u ta l s og o o dw e a rr e s i s t a l l c ea f er e q u i r e dt om e e tt h e d e m a n df o rt h e i rp e r f o 衄a n c e a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gc o n d i t i o na n dt l l ef a i l u r e a n a l y s i so f t h ec o l ds i e v ep l a t e ，t h i sa r t i c l ed e s i g n e df b u rg r o u p so f c o m p o s i t i o no f t h el o wa l l o yw e a r r e s i s t a n ts t e e l t h ec o n t e n to fcr ，n i ，s i ，m n ，r e ，a n dba r e a l m o s ts a m e ，b u tca n dm oc o n t e n tw e r ed i f f e r e m s o m eg r o u p so fd i 丘b r e m q u e n c h i n ga 1 1 dt e m p e r i n gt e m p e r a t u r e sw e r ed e s i g n e d t h em i c r o s 旬m c t u r eo f t | l e l o wa l l o yw e a r - r e s i s t a i l ts t e e la ta s c a s ta n da f t e rh e a tt r e 咖e n t 、v a sa n a l y z e d 恤o u 曲t h em e t a l l o g r 印h i c a lo b s e r v i n ga n dx 吖a y ( 1 i f h a c t i o n r o c k w e l lh 盯d n e s s t e s ta n dt h ei m p a c tt o u g l e s st e s tw e r ec a r r i e do nm el o wa l l o yw e a r r e s i s t a 芏l t s t e e l t h ew e a rr e s i s t a n c eo ft h i se x p e r i m e n tm a t e r i a la r e rh e a t 仃e a t m e mw a s t e s t e db ym l 1 0 0a b r a s i v ew e a rt e s t i n gm a c h i n e 1 1 l ei m p a c t & a c t u r eo ft h e i m p a c ts p e c i m e na 1 1 dt h es u r f h c em o r p h o l o g y 、v e r es c 删e d 晰ms e m t h e i n n u e n c eo fm ea b r a s i v ed i m e n s i o nt ot 1 1 ew e a rr e s i s t a i l c eo ft 1 1 e e x p e r i m e n t m a t e r i a lw a sr e s e a r c h e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sw e r eb e l o w ：t h ea s c a s tm i c m s t m c t u r eo fm el o w a l l o yw e a 卜r e s i s t a n ts t e e jw a sp e a r l i t e t h em a 仃i xw a sl a t h s h a p e dm a n e n s i t ea l l d a l s oas m a ua m o u n to fa u s t e n i t ea 1 1 dc a r b i d ea f t e rh e a tt r e a 嘶e n t t h ec a r b i d e i n c r e a s e da st h ec o n t e n to fci n c r e a s e s t h ec a r b i d ee x i s t e dd i s p e r s e d l yo nt h e m a 打i xa i l dc a i li m p m v et h eh 捌n e s so ft h ee x p e r i m e n tm a t e r i a l ，b u tah n l e d a m a g et ot 1 1 et o u 曲n e s so ft l l em a t e r i a l t h em i c m s 仃u c t l l r ea n dt h em e c h a n i c a l p r o p e n i e sw e r et h eb e s ta f k rt h eh e a tt r e a t m e n to ft h a tt h eq u e n c h i n gt e m p e r a t u r e i s9 1 0 ，w i t hh o l d i n gt i m eo fl h o u r ，a j l dt h et e m p e r i i l gt e m p e r a t l l r ei s2 3 0 ， w i t hh o j d i n gt i m eo f2h o u r s t h eh a r d n e s sr e a c h e dt oh r c 5 0a n di m d a c t t o u 曲n e s s4 5j c m 2 t h eh a r d n e s si n c r e a s e da f l dt l et o u g h n e s sd e c l i n e sa st h e q u e n c h i n gt e m p e r a t u r eh e i g h t e n t h ed i m p l eo ft l l ef r a c t u r eo ft h e i m p a c t s p e c i m e nw a sd e e pa n dw a sg l i d i n gf a c t u r ea r e rs e ms c a n n i n g t h ew e a r 郑卅f 火学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s i s t a n c er a i s e da st h eh a r d n e s so ft h es a m p l ei n c r e a s e d t h ew e a rs t y l ew a s m i c r oc 蚶i n gm e c h a j l i c sa f t e rs e ms c a f l n i n g t h ew e a rr e s i s t a n c ed e c l i n e e da st h e a b r a s i v ed i m e n s i o ne n l a 培e d f i n a h y ，an e wk i n do fm a t e r i a lw a so b t a i n e dw h i c hn o to n l yh a sb e t t e r s t l n g t h t o u 曲n e s sa n da b r a d a b i l i 吼b u ta l s oi sv e r yc h e a p k e yw o r d s ：l o wa l l o ys t e e l ，w e a rr e s i s t a n c e ，h e a tt r e a t m e n t ，h a r d n e s s ，m i c m s t r u c t u r e f r a c t u r em o r p h o l o g y 郑州大学硕士学位论文引言 引言 应用于磨料磨损工况条件下的特种钢铁材料称为钢铁抗磨材料或耐磨材料。 磨料磨损是指由于硬颗粒或硬突起使得材料产生迁移而造成的一种磨损。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 左右。在我国经济建设中， 冶金、矿山、建材、电力行业中，每年用于破碎、制粉的抗磨材料消耗是非常巨 大的，以球磨机用衬板为例，每年消耗2 0 多万吨；欧共体每年消耗2 0 亿美元， 美国高达6 0 亿美元。使用性能好和寿命长的零部件，既可以大大降低材料消耗， 减少生产成本，具有良好的经济效益；又可保证安全生产，提高设备运行效率， 同时减少设备维修工作量，降低劳动强度，改善工人劳动条件，具有良好的社会 效益。因此，为了减少磨料磨损所造成的经济损失，研究磨损和不断发展抗磨材 料是一项永远热点的课题。 目前应用最多、消耗最大的耐磨材料仍是以耐磨铸铁和耐磨铸钢为主。为了 提高材料使用寿命，防止材料早期失效，须对耐磨材料进行强韧化处理。目前耐 磨材料的强韧化处理主要有以下几方面：合金化、复相组织、热处理工艺、变质 处理和熔炼工艺。其中合金元素对耐磨材料的组织和性能有着决定性的作用，而 通过热处理工艺可以得到优良的综合性能。在磨料磨损条件下，耐磨性直接影响 了零部件的使用寿命，因此对耐磨性的研究也是一个重要的技术问题。本课题正 是针对冷筛板材料在磨料磨损工况条件下可能产生的失效分析提出来的，目的是 提高低合金钢耐磨材料在磨料磨损的工况下的综合性能，以较低的材料成本来满 足其生产需要，提高经济效益和社会效益。基于以上考虑，本论文研究内容如下： 根据冷筛板的工况条件、各合金元素对低合金钢耐磨材料组织及性能的影响 以及热处理工艺的作用，在铬、镍、硅、锰等元素含量基本相同的条件下，改变 碳元素和钼元素的含量，为此本文设计了4 组低合金钢耐磨材料。根据材料成分 设计范围和金属炉料的成分进行配料计算，在熔炼、浇注、试样制备及合适的热 处理工艺后，本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 金相组织观察试验，观察材料的组织和成分之间的关系； ( 2 ) x 射线衍射分析，分析试验材料的物相组成； ( 3 ) 力学性能试验，包括硬度和冲击韧性试验： ( 4 ) 耐磨性试验，观察其耐磨性变化； 郑州大学硕二 学位论文引言 ( 5 ) s e m 扫描分析，用s e m 扫描冲击断口和磨损试样的表面形貌； ( 6 ) 磨损试验，分析试验材料的耐磨性随磨粒尺寸的变化规律。 通过以上试验，本文主要研究低合金钢耐磨材料成分、组织和性能的关系， 并研究热处理工艺对其组织和性能的影响，并最终确定本低合金钢耐磨材料的成 分和最佳的热处理工艺。 郑州大学硕士学位论文 绪论 第1 章绪论 1 1 研究耐磨材料的必要性 磨损是摩擦学的三个重要组成部分( 摩擦、磨损和润滑) 之一，是工农业生 产中相当普遍的现象，是金属零件失效的三种主要原因( 磨损、腐蚀和疲劳) 之 一。由于磨损在生产生活中存在的广泛性，给国民经济带来的损失非常大。据不 完全统计，能源的1 3 2 3 消耗于摩擦与磨损，对材料来说，约8 0 的零件失 效是磨损引起的，其中磨料磨损所造成的经济损失占5 0 以上，产生磨料磨损 的实例到处可见，其广泛地存在于工业、农业、交通运输和日常生活中，如与土 砂、矿石、岩石、水泥等物料相互作用的矿山机械、工程机械、粉末设备中许多 机械零件；耕作、收割、粮油加工等的农业机械；水利和火力发电设备中许多机 械零部件；人体的牙齿、鞋底、笔尖以及多种生活品等。 磨损不仅消耗能源、浪费材料，造成经济上的巨大损失和社会资源的极大浪 费，而且由于磨损，更换零部件时修理、停工所消耗的人力和物力以及劳动生产 率的降低造成的损失更加严重。此外，零件磨损还会使产品的质量降低( 如磨球 质量差，造成水泥中金属含量高) ，甚至造成设备与人身事故，限制了工业向现 代化工业的发展。所以目前对磨损的研究，越来越引起人们的注意。 磨料磨损是指由于硬颗粒或硬突起使得材料产生迁移而造成的一种磨损。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 左右。在我国经济建 设中，冶金、矿山、建材、电力每年用于破碎、制粉的抗磨材料消耗是非常巨大 的，以球磨机用衬板为例，每年消耗2 0 多万吨；欧共体每年消耗2 0 亿美元；美 国高达6 0 亿美元“。 由于机械产品磨损失效的危害极大，所以提出了许多改进措施以减少磨损。 在很多领域人们采用机械部件与磨料物质隔绝的方法来减少磨料磨损，但潜在的 磨料物体如二氧化硅、氧化铝及氧化铁等约占地壳的8 1 ，在这样一个巨大的天 然磨料储量的情况下，一些磨料可能会越过机器上的密封圈和过滤器，但是最严 重的问题是在有些情况下，工件要与天然磨料相接触，例如冶会、采矿、建筑以 及农业机械【3 】。因此，为了减少磨料磨损所造成的经济损失，研究磨损和不断 发展抗磨材料是一个永远热点的课题。 1 2 国内外金属耐磨材料研究及应用现状 郑州大学硕十学位论文 应用于磨料磨损工况条件下的特种钢铁材料称为钢铁抗磨材料或耐磨材料。 金属抗磨材料从普通白口铸铁、高锰钢到镍硬铸铁、铬系白口铸铁、贝氏体耐磨 铸铁、耐磨铸钢以及金属基表面复合材料、硬质合金，获得了长足的发展。但目 前应用最多、消耗最大的仍是以耐磨铸铁和耐磨铸钢为主。 1 2 1 耐磨铸铁 ( 1 ) 普通白口铸铁 普通白口铸铁是指不含或少含特殊合金元素的自口铸铁，这是我国应用最早 的抗磨材料，至今仍广泛应用于性能要求不高的耐磨件的制造。普通白口铸铁 的耐磨性主要依靠碳的作用，按碳含量可分为亚共晶型( c 4 3 ) 。其金相组织特点是无石墨存在仅由珠光体类组织所 组成。其中的硬脆相为m 3 c 型渗碳体，并在基体中连续分布由于不含合金的珠 光体的显微硬度只有h v 2 5 0 3 2 0 ，含合金的显微硬度h v 9 0 0 l 0 0 0 ，故普通白 口铸铁的性能特点是硬度较高、韧性较差、耐磨性较差，尤其不能应用于受冲击 载荷较高的场合，但其主要优点是生产工艺简便、价格低廉。 合金化可以在定程度上改善白口铸铁的力学性能和使用性能，北京科技大 学、西安交通大学和沈阳铸造研究所结合我国的资源特点，在白口铸铁中加入w 、 m n 、b 等元素，可使普通自口铸铁的使用性能得到定的提高。 ( 2 ) 镍硬铸铁【4 】 1 9 2 8 年c l i m a x 国际镍公司研制成功的镍硬铸铁是白口铸铁发展的重要里程 碑，它是普通白口铸铁加入3 ，0 5 o n i 和1 5 3 5 c r ，加入铬，使f e 3 c 成为 ( f e ，c r ) 3 c ，硬度可提高至h v1 l o o 1 2 0 0 ，加入镍，有助于获得以马氏体为主的 金属基体，其硬度可高于h v 6 0 0 。镍硬铸铁的耐磨性优于普通白口铁，在采矿、 电力、水泥、陶瓷、炼钢等行业中，国外较普遍地用作轧辊、磨球、衬板、辊套、 磨环、渣浆泵过流件、弯管等。在美国、德国己纳入国家标准，己由原来的镍硬 i 型，发展到了镍硬型( 镍硬4 ) ，尤其是镍硬型铸铁的强度及韧性较高，淬 透性也较好，故在国外得到了广泛的应用，在市场上与高铬铸铁展开剧烈的竞争， 而在国内由于镍在9 0 年代前一直作为战略物资控制，从而限制了镍硬铸铁的研 究发展及生产应用。与高铬铸铁相比，镍硬铸铁的价格较便宜，可以用冲天炉熔 炼，熔炼成本较低，另外可以不经高温热处理，而在整个铸铁端面上得到充分的 郑州大学硕士学位论文 硬度。所以在选用铬系白口铸铁还是镍硬铸铁时，除工况外，主要是考虑经济上 的得失。 ( 3 ) 铬系白口铸铁 多年来，国内外的研究工作者对于铬在铸铁中的作用进行了大量的研究试 验，在此基础上研制开发出适于各种工况的铬系白口铸铁。铬在白口铸铁中有两 方面作用：一是促进碳化物形成，改变碳化物结构、性能和形态；二是固溶于奥 氏体，改变奥氏体相变性质。依照c r 加入量的不同可分为低铬铸铁、中铬铸铁、 高铬铸铁。 低铬白口铸铁 所谓低铬白口铸铁，一般是指含有渗碳体型碳化物的铬白口铸铁| 5 1 。铬含量 在5 以下，与普通白口铸铁相比，c 、s i 量稍低。为了提高低铬铸铁的性能， 往往添加m o 、c u 等合金元素。低铬铸铁热处理之后的基体组织为马氏体或马氏 体加索氏体。在生产中也有的是珠光体基体，在基体组织上分布着网状( f e ，c r ) 3 c 共晶碳化物，其硬度也由8 4 0 l 1 0 0 h v 提高到l o o o 1 2 3 0 h v ，但仍是连续网状 分布。低铬铸铁的优点是成本低，但耐磨性也相对差一些，低铬铸铁可用来制作 球磨机的磨球、衬板等耐磨件，目前国内低铬铸铁主要应用于生产磨球。8 0 年 代中期，通过调整成分设计，严格控制碳、硅含量，采用稀土变质剂，使碳化物 形状、分布改变，提高韧性，最大限度的补缩，消除缩孔缩松等铸造缺陷，提高 磨球的韧性和耐磨性，并经适当的热处理获得回火马氏体组织、珠光体组织，并 对碳化物进行断网处理。经上述工艺生产的低铬铸铁磨球其性能在h r c 4 0 5 0 ， a k 为3 5 j c m 硐1 。主要用于中小型水泥厂小干磨机上，现也有在选矿厂、火电厂 湿式磨机中使用。但低铬白口铸铁为多相组织，基体与碳化物之间因电极电位不 同，在水的作用下会发生电解腐蚀，造成碳化物与基体分离i ”，应添加一些能提 高基体电极电位的元素，如铜、镍等，以提高其在湿磨中的耐磨性。其成分、组 织、性能己列入磨球国家标准中。 中铬白口铸铁 中铬铸铁是我国取代n i h a r d 型铸铁发展的一种含铬量在4 1 0 ，含碳量 在2 3 2 7 的白口铸铁，其碳化物为m 7 c 3 型和m 3 c 型的混合形式，耐磨性和 韧性介于高铬铸铁和低铬铸铁之间，水淬后组织为马氏体+ 奥氏体混合基体+ 碳化 郑州大学硕士学位论文 绪论 物，硬度为h r c 5 2 5 7 。由于其在性能和价格上无明显优势，对其研究、生产 较少。 高铬铸铁 本世纪3 0 年代，几乎是在发展镍硬白口铸铁的同时，主要在美国进行了含 l o 3 0 c r 的高铬白口铸铁的研究。而后，美国、前苏联、德国也相继进行了大 量的生产性研究。6 0 年代以后，由于电炉熔炼的广泛使用，使得这种铸铁得到 了迅速的发展。 高铬白口铸铁：因为铬的加入使m 3 c 型碳化物变成具有更高硬度( 1 3 0 0 1 8 0 0 h v ) 的m 7 c 3 型碳化物，从而提高了高铬铸铁的耐磨性，与此同时，凝固过 程中m 7 c 3 型碳化物形成了独立分布的杆状组织，使得高铬白口铸铁的韧性有了 一定程度的改善，而且通过简单的热处理就可使高铬白口铸铁得到所需的基体组 织，因此，高铬铸铁问世以来，一直被认为是较理想的耐磨材料。国内外对高铬 铸铁的成分、组织、热处理工艺与性能之间的关系、工艺控制、特殊件生产以及 各种磨料磨损条件下的使用性能已进行了大量的研究，近年来还对其结晶规律进 行了一些研究。 实际应用表明，磨料的硬度对合金的耐磨性影响很大，实验表明，在碾磨水 泥熟料( 4 5 0 h v ) 时，高铬铸铁的耐磨性要比碾磨石英( 8 0 0 1 0 0 0 h v ) 时要低【”， 文献1 9 】也得出了类似的结论，并对相应基体组织对抗磨性的影响进行了分析，一 般而言，高铬白口铸铁只有用来碾磨硬度在5 0 0 6 0 0 h v 以下的磨料时，在经济 上更合理。 碳化物与基体的配合也是影响高铬白口铸铁的重要因素。文献州认为：耐磨 性随残留奥氏体量的增加而降低，而文献”则建议当受到冲击但不致造成奥氏体 发生马氏体相变，受力部分不是异常恶劣的部件，则可用奥氏体含量高一些的甚 至用全奥氏体的；如果反复冲击可能导致表面相变，如磨球，则应使奥氏体含量 尽可能的低。文献1 试验表明，奥氏体白口铸铁热处理后具有较佳的耐磨性与断 裂韧度配合。总之，碳化物与基体的配合以及保证抗磨材料的耐磨性与韧性，还 有待进一步研究。 高铬铸铁最大的缺点是在矿山湿磨条件下耐磨性差，为此，日本、美国、德 国均向高铬铸铁中加入v ”。“，随着钒量的增加，v c 颗粒( 2 8 0 0 h v ) 明显增加， 郑州大学硕士学位论文 绪论 由于v c 颗粒周围铬的浓度比( f e ，c r ) 3 c 周围的铬浓度相对提高，从而提高了高 铬白口铸铁的耐蚀性。国内也进行了类似的研究，同时认为钒的加入能细化组织， 提高韧性。在提高高铬铸铁韧性方面，国内通过变质处理改善白口铸铁的结晶组 织，特别是改善碳化物的结构和形态，如文献】采用钾、钠、镁、铈变质处理后 铸态组织中碳化物出现蠕虫状和团块状，网状分布基本消失，孤立程度明显改善， 韧性指标提高5 8 1 1 2 2 ，文献i ”1 采用r e v t i b 复合变质，最高可提高韧 性1 6 0 ，文献1 1 7 1 用既含有强烈形成碳化物元素，又含有强烈促进石墨化元素变 质后，经热处理，其冲击值可高达6 1 2 5 j c m 2 。 高铬铸铁现己应用于各种磨煤机、矿石破碎机、水泥磨机、抛丸机和泥浆泵 等抗磨零件上，但是高铬白口铸铁韧性差、抗腐蚀性能不高的问题仍未能得到根 本的解决。另外，高铬铸铁的研究和应用主要集中在马氏体基体的高铬铸铁，对 其它组织的高铬铸铁的研究和应用只有不多的报道。加上高铬铸铁的成本高，因 而限制了其使用，尤其在一些中小型矿山。 ( 4 ) 中锰球墨铸铁 中锰球墨铸铁是一种含m n 5 9 ，s i 3 5 具有球状石墨的合金耐磨材料， 其基体组织随合金含量和冷却速度的不同，分别为奥氏体、马氏体或两者的混合， 粒状和块状的碳化物及球状石墨分布其中。中锰球墨铸铁生产难以控制，铸造缺 陷多，碳化物含量不易稳定，基体中残余奥氏体的大量存在，不利于耐磨性的提 高。因此，这只是一种具有一定耐磨性，成本较低的金属材料，目前的应用逐 渐减少。 ( 5 ) 贝氏体基体型耐磨铸铁 白口铸铁的发展从低合金化到高合金化，从珠光体白口铸铁到马氏体白口铸 铁，抗磨性能虽然有了很大的提高，但是其脆性问题始终难以彻底克服。贝氏体 组织的发现，为抗磨铸铁的研究和发展提供了一条新的思路。即以球墨铸铁代替 白口铸铁，以贝氏体组织代替马氏体组织或奥氏体组织部分，显示出优良的耐磨 性能和优异的综合力学性能，是近3 0 年来铸铁冶金方面的重大成就和研究热点 之一，被越来越广泛地应用于各工业部门。 贝氏体基体型耐磨铸铁按其中的石墨的形态，可分为贝氏体可锻铸铁和贝氏 体球墨铸铁，前者生产周期长，目前研究应用较少，而后者无须经石墨化退火且 郑州大学硕士学位论文 绪论 性能优良，应用广泛。尤其作为耐磨材料。 1 9 4 9 年w w b r a i d w o o 8 1 就曾预言针状组织( 贝氏体) 铸铁可能是力学性能 好的铸铁，随后，美国国际收割机公司于1 9 5 2 年曾用这种球铁代替高锰钢生产 军用履带，但在此后的2 0 年间，由于这种材料需要有限，在工业生产中很少应 用，致使它的发展基本处于停滞状态，直到6 0 年代初，国际上才重新开始这种 材料的研究，1 9 7 7 年，m j o h o n s s o n 宣布芬兰k y m i k y m m m e 公司所属的k a d ( 1 ( i l a 铸造厂开发了种使用性能优异的新型球铁，即奥氏体一贝氏体球墨铸铁，并向 美、英、法、加等1 3 个国家申请了专利，这一报导引起了广泛重视，各国从不 同角度进行了规模巨大的研究工作。 8 0 年代以来有关贝氏体球铁的研究进行得较多，主要包括：等温淬火工艺对 球铁性能的影响m 。2 “，合金元素对淬透性及组织性能的影响，各种组织与性能间 的关系【2 l 2 ”、磨损性能1 2 3 _ 2 4 l 、贝氏体组织的形成机理等方面但这些研究都仅仅局 限于传统工艺等温淬火。后继研究者考虑到等温淬火工序长、耗能大、污染 环境，开始进行合金化后在空冷或铸态条件下获得贝氏体球墨铸铁的研究，但这 一方法无一例外需加入贵重合金元素n i 、m o 、c r 等，一般加入量为镍：3 o 4 o ， 钼：o 6 1 0 ，生产成本高，在铸态下获得贝氏体组织除了合金化以外，还应考 虑其他因素的影响，当成分一定时，冷却条件具有决定性的影响，冷却速度太快 将得到全马氏体，太慢则会转变成珠光体，因而增加了对铸件生产的要求。与此 同时，一些研究者开始从利用铸件余热创造一个类似等温的环境，从这一个思路 出发，先后提出了中断正火法 2 s l ，模拟等温处理等工艺方法，采用热开箱+ 急冷+ 保温的工艺来获得贝氏体组织。 贝氏体球铁优异的综合力学性能使其具有非常广泛的用途，如用在耐磨、耐 冲击、高强度、高韧性和耐疲劳的场合。用贝氏体球铁作为磨球材料应用于矿山 球磨机的研磨介质已得到认可。这种材料不仅由于具有比高铬铸铁更好的抗腐蚀 性和耐磨性，此外，这种材料还适于生产湿磨条件下的抗磨铸件，如渣浆泵等， 但贝氏体球铁传统的等温淬火工艺复杂、时间长、淬火介质易污染，需加入一定 的铜、铝、镍，这使贝氏体球铁生产成本高，质量不稳定。 1 2 2 耐磨铸钢 ( 1 ) 高锰钢 郑州大学硕士学位论文 绪论 高锰钢l8 8 2 年由美国人哈德菲尔德发明的，这种钢的铸态组织为奥氏体加 碳化物，水韧处理后，可以获得单相奥氏体组织，它具有较高的耐冲击性能和加 工硬化能力，其在强烈冲击加工硬化后表面硬度可由h b 2 0 0 左右上升到h b 5 0 0 ， 这一特性使其广泛应用于矿山、建材、冶金、能源、铁路等机械中的耐磨件【2 6 】。 近年来，由于许多用户对高锰钢的认识不清，认为其是“万能耐磨材料”， 滥用高锰钢。高锰钢其含有韧性相奥氏体及其加工硬化的特点，决定其应用于伴 有强烈冲击载荷的凿削磨损的工况下，否则就无法发挥高锰钢潜在的耐磨能力而 表现得非常不耐磨。例如：小型锤头及球磨机尤其是小直径球磨机的衬板，在使 用中所受冲击力小，因而高锰钢硬化不够。高锰钢的另一缺点是屈服强度低 ( 3 5 0 m p a 左右) 。在使用过程中极易产生塑性变形，使得诸如球磨机衬板这样的 工件在运转过程中尺寸变大，产生流变、挠曲变形，拉断螺拴，使隔仓板上的槽 孔变小，影响磨矿效率。因此，美国、日本等国己不用高锰钢做球磨机上的衬板。 国内外针对高锰钢上述缺点，也做了许多工作，国外在七十年代就有加入合 金元素m o ，c r 的高锰钢及铸态高锰钢| 2 7 l 。国内对高锰钢的合金化研究较多，一 般加入c r 、m o 、t i 、n b 、v 等对高锰钢进行第二相强化，以提高其o s ，但都有 局限性。另外，对高锰钢的改型进行了研究，发展了中低锰钢，以在中、低冲击 工况下提高利磨性，但常出现韧性较低，安全性不好等问题。近年来，国内外有 一种发展更高含锰量的超高锰钢的倾向，锰可达1 8 2 5 ，结果表明能提高高锰 钢的加工硬化能力。 高锰钢生产中水韧处理，需要将铸件加热至l l o o 左右保温，这是一道耗 能的工艺，且铸件处理不好易开裂，近年来，许多生产小厂对高锰钢进行余热淬 火，但余热淬火能否完全消除或部分消除碳化物呢? 文献脚1 认为高锰钢中晶界上 的粗大碳化物是液固转变时生成的，因此余热淬火是不能消除碳化物的。 ( 2 ) 贝氏体基体型耐磨钢 贝氏体基体型钢和贝氏体基体型铸铁类似，其基体组织以贝氏体+ 奥氏体或 贝氏体为主，硬度高韧性好，综合力学性能优良，是目前材料研究领域的研究热 点，近几年来国内外对贝氏体钢从组织、性能、工艺、相变机理方面进行了研究， 从而推动了贝氏体钢的应用。目前贝氏体钢在耐磨件上的应用也日见增多，但整 体处于研究试应用阶段。 郑州大学硕二e 学位论文 贝氏体钢根据其获得贝氏体的方式，可分为等温淬火贝氏体钢和空冷贝氏体 钢，作为耐磨材料使用，等温淬火贝氏体钢的化学成分为：c 在中碳、中高碳范 围：o 5 1 2 ，s i 的含量在20 2 6 ，o 5 的m o ，适量的m n 、n i ，专利u s l 4 2 3 2 6 ， j p 7 9 4 3 6 ，o e 2 8 1 7 6 2 8 ，j p 7 0 5 2 8 3 2 都是这一类钢。其组织形成的机理与等温淬火 奥氏体一贝氏体球墨铸铁相似，即先将奥氏体急冷至中温区等温获得一定量的贝 氏体后再淬火到m s 点以下的温度以完成马氏体转变。关于等温淬火获得贝氏体 钢国内外进行了不少研究，文献| 2 9 3 ”等着重分析了贝氏体复相组织的性能及热处 理工艺参数对贝氏体的组织形态、数量、性能的影响，认为等温贝氏体马氏体 复相组织具有良好的强韧性配合，其韧性优于同强度的回火马氏体单相组织的韧 性，可以通过调节热处理工艺参数如等温温度来调节贝氏体马氏体间相对量， 以调节钢的强韧性匹配，因此贝氏体钢是一种优异的抗磨料磨损的耐磨钢。但由 于等温工艺复杂，能耗大，使得等温贝氏体马氏体复相组织在工程上的推广应 用受到限制。 通过空冷而获得贝氏体的钢简称为空冷贝氏体钢，从二十世纪五十年代至 九十年代，国际上贝氏体钢的发展主要集中在低碳范围，而合金化途径主要是 m o 系或m o b 系为基础。1 9 4 9 的年英国b a r d g d e r t 和r e e v e 首先研究了低碳的 m o b 系贝氏体钢，五十年代英国i i n e 和p i c k e r i n g 提出并发展了实用而著名的 低碳1 2 m o b 系贝氏体钢，此钢在相变动力学上一个重要特征是它的等温转变 曲线带有海湾式的平台，这就使它在空冷条件下的很大冷速范围内都可能发生贝 氏体相变。作为耐磨钢应用的中碳及中高碳贝氏体钢起初仍以m o 系及m o b 系 为基础，国内此方面的研究较多，西北工业大学康沫狂等成功研制出s i m n m o 系中碳贝氏体耐磨钢，其贝氏体为贝氏体铁素体，称其为准贝氏体钢，具有良好 的强韧性和较高的耐磨性，其应用取得了良好的效果。上海交通大学的司鹏程、 山东的大学李风照等研制出多元微合金化冷贝氏体钢。上述钢种加入少量的m o 和微量的b ，使铁素体“c ”曲线右移，而对贝氏体“c ”曲线影响较小，从而 空冷获得贝氏体。在这一类钢中m o 、b 成为必不可少的元素，m o 原料价格昂 贵，另外m o 降低b s 点的作用小，为此需要进一步加入c r 、m n 、n i 等元素复 合化，从而更提高了钢的价格，极大地限制了此类贝氏体钢的应用。 在空冷贝氏体耐磨钢中，另一类合金系就是m o b 系贝氏体钢。7 0 年代研 0 郑州大学硕士学位论文 绪论 究发现，m n 在一定含量时，可使过冷奥氏体等温转变曲线上存在明显的河湾， 使钢的上、下c 曲线分离，m n 与b 相结合，使高温转变孕育期明显长于中温转 变。清华大学方鸿生等人成功地用普通合金化元素，发明出m n b 系空冷贝氏体 钢”“，m n 的原料价格为m o 的1 3 0 1 2 5 ，在推广应用中显示出突出优势，发展 迅速，成为贝氏体钢发展的重要拓展方向，目前此系列钢共有1 0 个钢种，应用 于磨球、衬板、齿板、锤头、截齿、耐磨管道上。但m n b 系列空冷贝氏体钢， 仍然存在截面尺寸较大的部件在空冷条件下很难获得均一的下贝氏体马氏体复 合组织，其中m n 含量大于2 时易产生偏析，马氏体量过多使韧性降低，另外 含微量b 的钢在熔炼时难以使b 固溶于奥氏体中，b 极易与钢中n 、0 、c 形成 化合物，b 在熔炼中没有得到很好的控制。 近年来一些研究者采用s i 、m n 、c r 、v 、n b 等合金元素微合金化，在铸态 下获得耐磨铸件。如文献m 1 采用高硅高锰，辅以一定的c r 、m o 及微量元素v 、 t i 、b 在铸态下得到奥氏体一下贝氏体耐磨铸钢，文献i 捌采用m o 、n b 合金化铸 造获得贝氏体马氏体复相钢。 可见，目前贝氏体钢研究中，仍以合金化为主要研究途径，这样使生产成本 上升，冶炼难于控制。 1 2 3 耐磨低合金钢【3 4 j 普通低合金钢，国外称为低合金高强度钢，是含少量合金元素，具有较高强 度的结构钢。耐磨低合金钢因其含有一定量的合金元素，具有良好的淬透性，良 好的耐磨性与韧性的综合性能，而且生产成本不高，适用于生产各类磨料磨损 件。耐磨低合金钢按照含碳量可分为低碳( o 1 8 o 3 0 ) ，中碳( o 3 0 o 5 0 ) 和高 碳( o 5 0 1 o ) 三类，合金总量在5 以下的合金元素主要有c r ，m n ，s i ，m o 等。 加入的主要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。 有时一些高碳合金钢( c 在0 6 1 0 ) 也可在珠光体态下使用来制作球磨机磨球、 衬板等。国外低合金耐磨钢主要用于承受中等冲击负荷下的耐磨件，如大型球磨 机的粗磨头仓衬板等，其使用寿命比高锰钢要长，国内生产了结合我国资源的硅 锰钢系列，在拖拉机履带板上使用，有较好的效果。在农机领域中，我国大量采 用6 5 m n 低合金钢制作犁铧、锄铲、纹杆等土壤耕作零件。我国的一些耐磨钢中 还加入了稀土”5 1 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 郑州大学硕卜学位论文 绪论 耐磨性。 目前国内己有的钢种为以下的几种： ( 1 ) 珠光体一渗碳体钢 典型的钢种是高碳铬镍钼铸钢。例如化学成分( ) 为：co 7 2 ，m no 8 8 ，s i 0 3 0 ，c r l 5 6 ，n i07 5 ，m oo3 8 的钢，经9 7 0 退火，8 9 0 正火和5 3 0 回火后，具 有高的强度和硬度：o 。为1 2 6 0 m p a ，吼为1 4 9 0 m p a ，h b w 为4 1 5 ，因而具有较好 的抗磨性。该钢中铬和钼是稳定珠光体的元素，能使组织形成珠光体，又使钢在 工作中经受摩擦而产生高温时，其组织中的珠光体不致发生分解。铬的含量小于 2 ，在提高强度和硬度时，还有提高钢的塑性的作用，因而能减小钢的脆性。 ( 2 ) 马氏体抗磨钢 加入几种提高钢的淬透性的合金元素，能得到马氏体组织，获得高的硬度， 国外应用的一种s i m n c r - m o - n i 马氏体抗磨铸钢，化学成分( ) ：co 4 0 6 ， m n1 3 1 5 ，s io 7 1 o ，c r0 7 o 9 ，m o0 2 5 0 7 5 ，n il 5 。这种钢有很强的 淬透性，1 2 5 m m 厚的铸件，空冷时能够得到马氏体。可以用于厚大抗磨件。其 硬度超过珠光体抗磨钢一倍以上，具有很高的抗磨性；它还有一定的韧性，能适 应冲击磨损的工况条件。 ( 3 ) 奥氏体一贝氏体抗磨钢 又称为等温淬火高碳硅合金铸钢。组织为贝氏体及分布于其上的奥氏体。其 组织形成机理与等温淬火奥氏体一贝氏体球墨铸铁相似。 与其它的耐磨铸钢相比较，低合金耐磨铸钢由于可加入的合金元素种类繁 多，使得其牌号较为复杂。但一般而言，其熔炼工艺较易掌握，热处理工艺较为 简单，一般为淬火+ 回火，处理后的组织多以马氏体或马氏体+ 贝氏体为主，具 有较好的综合机械性能与而寸磨性能，我国先后研制了z g 4 2 c r 2 m n s i 2 m o ， z g 4 0 c r m n s i m o r e ，z g 7 0 c r m n m o b r e 等蒯磨合金钢，应用于球磨机衬板，其 使用寿命都在高锰钢衬板的1 6 倍以上。 1 3 金属耐磨材料目前存在的问题 目前，我国金属耐磨材料的生产技术、产品质量与国际特殊金属材料行业相 比，差距较大。首先是由于金属耐磨材料行业的冶炼工艺落后，极少采用炉外精 炼等净化技术，造成冶金质量先天不足；其次是没有良好的合金体系；第三是铸 2 郑州大学硕七学位论文 绪论 造工艺水平低，内部不致密，这些都将造成抗磨材料配件在使用过程中产生早期 失效或缩短使用寿命9 “。 1 4 金属耐磨材料的发展动向1 3 7 1 鉴于我国金属抗磨材料的特点与不足及国外冶金新材料发展的趋势，在抗磨 材料的研究和开发中应从以下几个方面着手： ( 1 ) 大力开发高效、节能、降耗的金属耐磨材料，即开发良好的合金体系。 为了迸一步提高材料的耐磨性和适用不同工况条件的需要，各国学者在钢的合 化，化学成分调整以及生产工艺改进等方面进行了大量研究。从耐磨材料的发展 看，材料工作者为提高材料的性能，使耐磨材料的发展呈低合金钢到中合金钢再 到高合金钢趋势。虽然耐磨合金钢具有优良强韧性和耐磨性的综合性能，生产成 本不是很高，而且可以满足多种不同性能的要求，因此适用于制作各种类型的耐 磨件，但由于资源的不断开发利用，使得材料研究者不得不从节约合金的方向着 手，于是耐磨材料的发展趋势正向微合金化方向发展，应用微合金化技术，并使 其与新工艺、新技术、新设备结合起来，研究开发高洁净度、高均匀性、高硬韧 性及细晶粒冶金新材料新型微合金钢。它的研制与应用，主要以获得高硬度、 高韧性和高抗磨性为主要方向。研究表明，硬韧性和抗磨性与显微组织有关。 ( 2 ) 推广应用先进的生产技术，即采用先进的钢液净化技术，生产出优质的 钢液。高锰钢、耐磨合金钢以及商铬铸铁等耐磨材料通常采用感应电炉熔炼，为 提高金属液的纯净度，建议在有条件的工厂应用电弧炉冶炼或配以炉外精炼或真 空处理钢液等先进的生产技术。这些措旆可有效地降低非金属夹杂物和气体含 量，提高力学性能，提高耐磨性和使用寿命。 ( 3 ) 采用合适的热处理工艺，以得到材料优良的综合性能： ( 4 ) 合适的晶粒细化措施，包括变质处理和孕育处理等，以提高材料的性能。 1 5 磨料磨损工况条件下研发钢铁耐磨材料应遵循的原则| 3 8 】 ( 1 ) 材料选择应依据实际工况要求进行，防止过度追求材质高性能 在进行耐磨材料的选择时，应先进行工况分析，依据工况条件提出耐磨材料 的性能要求，防止片面追求力学性能指标。否则方面会导致为提高材料性能使 得生产成本提高，另一方面可能会引起由于对一些指标的要求而忽视其它一些指 标，造成事故隐患。如在以往的耐磨材料研究和应用中，一般认为耐磨材料的硬 郑州大学硕士学位论文 度越高越好，从而只规定硬度的下限要求。然而事实上，将宏观硬度( h r c ) 与断 裂韧度数值作统计处理后，可以发现它们之间存在大致的反比关系，即硬度增加 会导致断裂度性下降，从而导致使用过程中断裂等事故频频发生，这在我国球磨 机运转过程中屡见不鲜。 ( 2 ) 钢铁耐磨材料的工艺性能及铸造工艺研究不可忽视 以往对耐磨材料的研究往往着重于材质研究和热处理工艺研究，对其本身的 工艺性能研究和成型工艺研究较少，然而这些问题是极端重要的，在很大程度上 影响钢铁耐磨材料的实际使用效果。如在空冷贝氏体钢的研究中，含b 的钢种由 于b 在冶炼时难以控制，在晶界凝淀出f e b 或f e 2 3 ( c b ) 6 ，促进等轴状铁素体形成。 又如中锰球墨铸铁成本低且具有一定的耐磨性，但由于其在熔炼过程中铁水中的 球化处理和孕育难以控制，导致其中的碳化物含量不稳定，易产生铸造缺陷，使 得其耐磨性难以得到充分发挥，大大限制了它的使用。 此外，钢铁耐磨件一般都是在铸造后一次成型直接使用，因此进行铸造工艺 研究、防止铸造缺陷具有重要意义。些耐磨件早期运行时表现良好，运行定 时期后一旦有缩松、气孔等缺陷暴露出来，磨损便突然加速乃至断裂或局部磨穿， 使整个工件失效。目前，我国在这方面的工作开展不够。 ( 3 ) 立足国情，开发多种耐磨材料适应不同工况要求 耐磨件所要面对的工况条件多种多样，单一的材质不可能应付多