熱軋中錳馬氏體耐磨鋼的沖擊磨損行為
朱曉翔，楊庚蔚，趙剛，韓汝洋，付至祥，包爽
(武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430081)
摘要：利用MLD-10型動載磨料磨損試驗(yàn)機(jī)，系統(tǒng)研究了熱軋中錳馬氏體耐磨鋼在1、2.5和5 J沖擊能量作用下的沖擊磨料磨損行為，并與Hardox450鋼進(jìn)行了比較。借助光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)和布氏硬度計(jì)等設(shè)備分析了試驗(yàn)鋼的組織、力學(xué)性能及磨損表層、亞表層，并探討了其磨損機(jī)制。研究結(jié)果表明，試驗(yàn)鋼的顯微組織為板條馬氏體，與Hardox450鋼相比，其布氏硬度更高，-40 ℃下的沖擊吸收能量更低，分別為503HB和15.3 J。相同工況條件下，試驗(yàn)鋼的磨損失重明顯小于Hardox450鋼，且基于有效磨損時(shí)間修正后的磨損率均隨著沖擊能量的升高，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。當(dāng)沖擊能量為2.5 J時(shí)，磨損率最大，磨損失重量最多。原因在于，沖擊能量較低時(shí)，試驗(yàn)鋼的磨損主要以犁溝為主，并伴隨著少量的磨粒嵌入，磨損失重較少；當(dāng)沖擊能量為2.5 J時(shí)，磨損表面的切削加劇，且塑性變形造成大量磨粒嵌入基體，導(dǎo)致應(yīng)力集中，并在反復(fù)沖擊過程中產(chǎn)生疲勞裂紋，隨后擴(kuò)展至試驗(yàn)鋼表面，形成疲勞剝落，磨損亞表層出現(xiàn)明顯剝落坑，失重顯著增加；當(dāng)沖擊能量為5 J時(shí)，磨損表面塑性變形增加，加工硬化顯著，疲勞磨損占據(jù)主導(dǎo)，磨損表面硬度較高，犁溝和磨粒嵌入較少，磨損亞表層更為平整均勻，失重反而減少，磨損率下降。
關(guān)鍵詞：中錳馬氏體耐磨鋼； 沖擊磨料磨損； 沖擊能量； 磨損率； 磨損機(jī)制
1 引言
磨損是金屬材料主要的失效形式之一，中國每年因摩擦磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失約占國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的5%。提高材料的耐磨性能對減少經(jīng)濟(jì)損失、延長機(jī)械使用壽命具有重要意義。在現(xiàn)有耐磨鋼中，中錳馬氏體耐磨鋼作為一種新型的耐磨鋼，具有高淬透性、高耐磨性和低成本的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于煤炭采運(yùn)、鐵路運(yùn)輸和工程機(jī)械等領(lǐng)域。
LUO K等通過磨料磨損試驗(yàn)研究了中錳馬氏體鋼的滑動磨損行為，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)鋼洛氏硬度達(dá)到50HRC，磨損機(jī)制以切削磨損和疲勞磨損為主，其耐磨性能高出常規(guī)耐磨鋼30%。鄧杰等研究Q&P工藝對1.48%Si、3.6%Mn馬氏體耐磨鋼磨粒磨損性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在滑動磨損工況下，隨著淬火溫度升高，試驗(yàn)鋼的塑韌性降低，易出現(xiàn)疲勞開裂，磨損機(jī)制以疲勞破壞為主，并有明顯的犁溝和微裂紋產(chǎn)生。YAN X等借助球-盤單向滑動磨損試驗(yàn)機(jī)研究了中錳馬氏體鋼在不同熱處理制度下的磨損行為，發(fā)現(xiàn)在滑動磨損工況下，當(dāng)退火溫度從630 ℃提高至690 ℃，磨損機(jī)理從疲勞磨損向犁溝和切削磨損轉(zhuǎn)變。孫榮民等采用銷盤式磨損試驗(yàn)機(jī)研究了中錳馬氏體鋼的耐磨性與磨損機(jī)制。研究結(jié)果表明，在滑動磨損工況下，試驗(yàn)鋼表面存在大量的犁溝、疲勞變形以及少量磨粒嵌入；鋼的耐磨性與基體硬度呈正相關(guān)，基體硬度越高，耐磨性越好。然而，目前國內(nèi)外有關(guān)中錳馬氏體耐磨鋼耐磨性方面的研究多聚焦于滑動磨損工況，且多針對鑄態(tài)及熱處理態(tài)的中錳馬氏體耐磨鋼，而熱軋態(tài)中錳馬氏體耐磨鋼的沖擊磨料磨損行為尚缺乏系統(tǒng)、深入的研究。
本文擬以熱軋中錳馬氏體耐磨鋼為研究對象，利用動載磨料磨損試驗(yàn)機(jī)、掃描電子顯微鏡和硬度計(jì)等設(shè)備研究其在不同沖擊能量下的沖擊磨料磨損行為，并與商用Hardox450鋼比較，揭示其磨損機(jī)制，為中錳馬氏體耐磨鋼的發(fā)展和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
2 精選圖表
3 結(jié)論
(1)與商用Hardox450鋼相比，試驗(yàn)鋼的硬度更高，但-40 ℃下的沖擊吸收能量更低，分別為503HB和15.3 J。
(2)相同沖擊磨損試驗(yàn)條件下，試驗(yàn)鋼的耐磨性明顯優(yōu)于商用Hardox450鋼。沖擊能量分別為1、2.5和5 J時(shí)，隨沖擊能量增加，磨損率均先增大后減小。當(dāng)沖擊能量為2.5 J時(shí)，磨損率最大。
(3)當(dāng)沖擊能量為1 J時(shí)，試驗(yàn)鋼的磨損以犁溝為主，并伴隨著少量的磨粒嵌入，而Hardox450鋼出現(xiàn)了明顯的疲勞磨損。隨著沖擊能量增加，2種鋼的磨損機(jī)制由犁溝為主向疲勞磨損轉(zhuǎn)變。當(dāng)沖擊能量為5 J時(shí)，試驗(yàn)鋼表層硬度達(dá)到602HV，抵抗磨粒壓入的能力增強(qiáng)，疲勞磨損占據(jù)主導(dǎo)，表現(xiàn)出良好的耐磨性能。
