磨料磨损条件下的耐磨材料

磨料磨损条件下的耐磨材料

1抗疲劳材料和磨损机的概论1.1磨料磨损严重材料损坏有三种类型：断裂、侵蚀和磨损。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。据早期统计,由磨损造成的经济损失,美国约150亿美元/年,西德约100亿马克/年,前苏联约120亿卢布/年。在各类磨损中,磨料磨损又占有重要的地位,在金属磨损总量中占50%,在冶金矿山、建材、电力、农机、煤炭等行业磨料磨损尤为严重。因此,研究和发展用于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。1.2工件磨损类型磨料磨损机理显示磨损的本质和规律,为耐磨材料的研究和发展提供依据。磨料磨损有不同类型,就参加磨损的物体数目可分为二体磨损和三体磨损;就工件表面承受应力和冲击的大小可分为凿削式、高应力碾碎式和低应力擦伤式3类;就磨料与工件相对硬度的大小可分为硬磨料磨损和软磨料磨损。各类磨损中机制有所不同,但可归纳为以下几种基本型式。1.2.1磨料在载荷法作用下的摩擦学行为切削磨损是硬磨料磨损条件下的主要机制,磨料硬度大于材料硬度,磨料在载荷法向分力的作用下剌入材料表面,在水平分力作用下相对滑动的削金属,形成切屑,在磨损表面形成沟槽。切削磨损量取决于材料硬度,硬度愈高,切削量愈少,提高材料硬度,可降低材料磨损。1.2.2低周应变疲劳特性疲劳磨损包括两种类型,第一种是变形疲劳磨损,是在硬磨料相对滑动磨损或冲击磨损的条件下,磨料切削或凿削的同时,伴随有切削沟槽或冲击凿坑中材料的塑性变形,挤向沟槽或凿坑的周围,而且在后继磨料的作用下,被推挤出的金属承受反复变形、辗压。当某些变形严重部位应力超过材料疲劳极限,会产生裂纹,裂纹扩展连接引起疲劳脱落造成磨损,变形疲劳磨损具有低周应变疲劳性质,其耐磨性以材料的硬度和塑性(韧性)综合判据。第二种疲劳磨损是剥层疲劳磨损,即在软磨料或硬磨料作用下基体材料变形硬化后,由于接触应力的作用,在其亚表层形成裂纹,裂纹扩展,连接至表面,以薄层脱落,表面留下形态不规则的剥落坑。这类磨损具有应力疲劳性质,其耐磨性主要以材料硬度为判据,并与韧性一定相关。1.2.3冲击韧性+断裂韧性在硬磨料及冲击条件下,材料中的脆性相(如碳化物)或较脆基体(如马氏体)会发生脆性断裂、大块剥落,而形成磨损,这种脆断磨损与材料的冲击韧性及断裂韧性直接相关。以上各类磨损机制大多是以不同比重综合发生,因工况条件不同各类磨损比重不同。根据各类磨损机理与材料性能的关系,可提出对耐磨材料的常规要求。①较高硬度、一定塑性;②足够韧性和脆断抗力;③高的应变疲劳和剥层疲劳抗力;④高的淬透性和获得足够深的淬透层;⑤良好的工艺性和生产工艺方便易行。1.3高锰钢的加工金属耐磨材料包括耐磨钢和耐磨铸铁,耐磨钢中有高合金的高锰钢和低、中合金耐磨钢,耐磨铸铁有低铬白口铸铁和高铬白口铸铁。以下分别讨论耐磨钢的高锰钢和低、中合金耐磨钢。2高铬耐磨钢2.1高锰钢耐磨剂高锰钢指w(C)=1.0%～1.4%,w(Mn)=11%～14%的钢,经1000～1100℃水韧处理,可获得单一奥氏体组织,具有高的韧性和加工硬化性能。自1882年问世以来,已有100多年的历史,成为传统的耐磨材料,受到广泛的应用,我国20世纪50～60年代几乎把高锰钢作为万能的耐磨材料使用。但在使用实践中发现,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他耐磨材料所代替。高锰钢要扩大其应用范围,必须进行改进性研究,进一步提高其耐磨性。2.2高铬钢研究方向2.2.1合金化强化体在不同磨损条件下,耐磨性主要决定于硬度。而高锰钢以奥氏体为基体,起始硬度不高(约200HB左右),屈服强度也低,容易变形。因此,提高其耐磨性和屈服强度的重要途径是采用合金化以强化基体。如添加铬、钼可引起固溶强化,因钼较贵,国内多用铬强化。加入钛形成碳化钛,可引起弥散强化,并可细化结晶组织。国内某些厂矿发展钢种Mn13CrTi(w(C)=1.4%～1.65%,w(Cr)=2%,w(Ti)=1.0%～1.5%)用于冶金矿山衬板,破碎硬矿石和中硬矿石,其使用寿命比高锰钢提高50%～70%。2.2.2水韧处理后变质剂在热处理中的应用降低锰含量至6%～8%,得到中锰奥氏体钢,由于降低锰含量,可提高Ms和Md点,使Ms低于室温,Md高于室温,水韧处理后单相奥氏体在室温下磨损中变形可以诱发马氏体相变,从而提高加工硬化能力。即使在低冲击,较小应力下工作,也会因形变诱发相变而显著硬化,使耐磨性提高。从而扩大了中锰钢的应用范围。国内研制的中锰钢有13Mn7,10Mn7Cr2等系列,与高锰钢相比,其韧性有所降低,耐磨性则有较大提高,如表1所示。2.2.3残余热处理工艺一般高锰钢工件铸后进行水韧处理以获得单一奥氏体组织,工艺上新的进展是铸后利用余热淬化,不需再经加热进行水韧处理,可以简化工艺、节约能源、缩短生产周期、提高经济效益。进行余热处理,需要对具体铸件冷却时温度与时间关系进行较精确测定,严格控制好冷却开箱时间和淬火温度以保证质量。国内有单位曾采用铸后余热淬火于锤式破碎机锤头,寿命与进行水韧处理的高锰钢相当。3低、中、耐磨钢3.1超导性染料表面热处理低、中合金耐磨钢是很有发展前途的一类耐磨材料,具有以下特点。(1)合金含量较低,一般低合金钢为3%～5%,中合金钢为6%～8%。所加合金元素为国内资源丰富元素,如Cr,Si,Mn,B,RE等,而少含或不含贵重稀缺元素(Ni,Mo),易于推广应用,经济合算。(2)具有较高硬度,足够韧性的综合性能,在硬度大于50HRC的情况下,韧性ak值可达20～40J/cm2,采用低合金、多元素,复合合金化获得淬硬态组织,可在较大范围内控制硬度和韧性的匹配关系,在各类磨料磨损工况均可获得较好的耐磨性。(3)具有良好淬透性,适当调整合金元素,可使不同尺寸工件淬透,也为空冷淬硬简化热处理工艺提供条件。(4)生产灵活易行,视工厂条件,可铸、可铬、也可轧制生产。(5)价格相对低廉,经济效益较高。因而,低、中合金耐磨钢有广阔的应用前景和重要的推广价值。3.2低碳复合钢的研制(1)合金设计的判据。有3个方面。①战略判据。从资源、能源考虑,要求合金资源丰富,符合国情,节约能源,有利于推广应用和长远考虑。②经济判据。要求经济合算,成本低廉,总的经济效益高。③技术判据。要求性能、组织、结构最优化,能获得最佳组织状态,满足对耐磨材料的性能要求。(2)碳及合金元素分析,低、中合金耐磨钢合金成分设计主要考虑C,Mn,Si,Cr,Mo及其他微量元素的作用及含量。①碳,是影响低、中合金耐磨钢组织性能的关键元素,其变化幅度很大。有低碳(0.1%～0.3%),中碳(0.35%～0.45%),中高碳(0.5%～0.7%)和高碳(0.8%～1.2%)。碳量不同可获得硬度和韧性的不同匹配关系,低碳合金韧性较高而硬度偏低,高碳合金硬度高而韧性不足,中碳合金则有较高硬度和良好韧性。目前,低合金耐磨钢中碳量以中碳(中高碳)为主,个别也采用高碳,如GCr15。中合金耐磨钢则多用高碳,以与钢中的铬形成过剩碳化物充分发挥铬的作用。②锰、硅,锰是显著提高淬透性的元素,而且我国锰资源丰富,价格低廉,因而成为低合金耐磨钢的主加元素,一般添加1%～2%。研究发现,当锰量在2%～3%范围内,与硼相配合,可凸出贝氏体转变区,在较大冷速范围得到贝一马组织,获得空冷贝氏体钢。硅也是我国资源丰富的元素,一般加入硅的作用是推迟ε-κ至Cm的转变,抑制第一类回火脆性,改善马氏体的回火稳定性,提高回火温度,获得较好性能,一般加入1%～1.5%。当硅加入量至2%～3%时,可强烈抑制贝氏体转变中碳化物的析出,获得无碳化物贝氏体,在此基础上,国内研制出新型A-B低合金钢。③铬、钼,铬、钼都是提高淬透性和回火稳定性的元素,钼还可改善韧性。铬是中合金耐磨钢的主加元素,其含量可达4%～7%,在低合金耐磨钢中一般加入1%～3%,钼在性能要求较高的合金系统中加入,含量0.2%～0.5%。④微量元素,Ti,Nb,V微量可细化晶粒、改善韧性;微量硼可提高淬透性,还可在Mn的配合下获得空冷贝氏体钢;稀土元素(RE)可脱氧、去硫、清除有害杂质、细化晶粒,减少枝晶偏析,改善韧性,提高钢材质量。3.3以残余持续识别马氏体为主体的模板法和热压法具有良好耐磨性的组织应能提供较高的硬度和足够的韧性,以下分析较高硬度下的组织状态的韧性和耐磨性。低、中合金钢中淬硬态的组织有马氏体(包括板条马氏体和片状马氏体)、贝氏体(上、下贝氏体)、残余奥氏体和未溶碳化物等。研究得出:①板条马氏体在准解理断裂时有较小的断裂单元(同位向末)和较多的撕裂苓而消耗断裂功,从而提高了韧性,而片状马氏体断裂单元大,并有微裂纹造成脆性。因此,板条马氏体韧性高于片状马氏体。②下贝氏体以不同位向的铁素体板条为最小断裂单元,其韧性较相同硬度的回火马氏体高,也高于上贝氏体。③残余奥氏体存在于马氏体板条或马氏体片间,也存在于下贝氏体组织中。因其能使应力松驰,阻碍裂纹扩展,材料断裂时吸收能量增加,而使韧性改善。④未溶碳化物会引起应力集中,形成裂纹源,有利于裂纹扩展,加速脆断,降低韧性。粗大连续碳化物较分散,细小碳化物对韧性危害更大。不同组织的耐磨性取决于硬度和韧性,在接近硬度下韧性良好的组织相应也有良好的耐磨性,大致有以下的趋势。①板条马氏体耐磨性优于片状马氏体。②下贝氏体耐磨性高于相同硬度的回火马氏体。③残余奥氏体的作用取决于磨损类型。在低应力磨损下,残余奥氏体增多,硬度降低,耐磨性下降;高应力与冲击不大的磨损条件下,残余奥氏体增加,可抑制裂纹形成和扩展,阻碍变形和剥层疲劳磨损,而提高耐磨性。在较大冲击条件下,如大磨机中的磨球,过多残余奥氏体对耐磨性不利。因在冲击变形中残余奥氏体发生马氏体相变,体积膨胀,应力集中而发生脆性剥落。④在M/A基体中分布细小弥散碳化物对耐磨性有利,而在硬基体中分布大块未溶碳化物,在高应力较大冲击下碳化物作为裂纹源引起脆性断裂剥落,对耐磨性不利。根据以上分析,作为低、中合金耐磨钢应通过合金控制和热处理获得以下各类组织状态:①板条马氏体加板条间残余奥氏体的组织(M板+Ar)可由一般淬火、低温回火获得;②下贝氏体或BF/M,BF/A复合组织,可通过等温处理或连续冷却获得;③Mt+Ar+K组织,是高碳低、中合金钢的基本组织,在此类组织中,有些可通过优化工艺获得基体为低碳板条马氏体加残余奥氏体,并分布有细小弥散碳化物的组织。4多元复合的亚犯统国内低、中合金耐磨钢系统是从我国资源情况出发,并借鉴国外相关钢系,以硅、锰系为基础,加入铬、钼以及其他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、铬系、铬锰系到成分复杂的铬-锰-硅-钼-其他微量元素的多元复合系统。国内低、中合金耐磨钢中基本没有含镍的合金系。在合金系列中,磨球材料多为成分简单的合金系,如45Mn2,40Mn3B,GCr15,而衬板、锤头、齿板等多采用多元复合的Cr-Mn-Si-Mo-其他微量元素(Ti-B-RE)。代表性合金系统见表2。5低、中、耐腐蚀性钢的开发方向在低、中合金耐磨钢领域,国内已取得可喜的发展,研制出相当数量的钢种,今后的工作方向有以下几个方面。(1)几个种族建立从低碳到高碳;从简单成分到复杂成分;从无冲击低应力,到大冲击高应力工况应用的低、中合金耐磨钢系列。(2)优化过滤从资源、能源、经济、技术多方面综合考虑筛选出符合我国资源,节约能源消耗,具有经济效益,技术可靠,性能优越的低、中合金耐磨钢种。(3)推广应用