变质系列锰钢耐磨性的研究

变质系列锰钢耐磨性的研究朱瑞富吕宇鹏李士同朝志强王世清(山东工业大学)王晓燕(青岛大学)摘要研究了变质系列锰钢的耐磨性与磨面硬度、磨面组织、主要磨损机制及磨损冲击功之间的关系。结果表明，不同成分变质锰钢的耐磨性与磨损冲击功之间呈抛物线关系，耐磨性峰值的位置随锰含量的降低而向较低磨损冲击功方向移动；与耐磨性峰值对应存在着一个“最佳磨面硬度范围”和“适配冲击功范围”，在此范围内材料的耐磨性最高，主要磨损机制为显微切削+浅小凿坑+轻微剥落；钢中形成适量的形变诱发马氏体有利于耐磨性的提高。关键词锰钢变质处理耐磨性STUDYONWEARRESISTANCEOFINOCULATEDMANGANESESTEELSZHURuifuLU¨YupengLIShitongCHAOZhiqiangWANGShiqing(ShandongUniversityofTechnology)WANGXiaoyan(QingdaoUniversity)ABSTRACTTherelationbetweenwearresistanceandwornsurfacehardness,wornsurfacestructure,mainwearmechanismaswellaswearimpactenergyhasbeenstudiedsystematic-allyinthispaper.Theresultsshowthattherelationbetweenthewearresistanceandwearimpactenergyofinoculatedmanganeseisofparaboliccharacter.Thepositionofthepeakvalueofwearresistanceshiftstolowerwearimpactenergywithreductioninmanganesecontent.“Therangeofoptimumwornsurfacehardness”and“therangeofproperimpactenergy”arecorrespondedtothepeakvalueofwearresistance.Intheseranges,thewearresistanceofthesteelsisthehighest,andthemainwearmechanismisofmicrocutting,shellowimpactpittingandslightstripping.Asuitableamountofdeformationinducedmartensiteisfavorabletotheimprovementofwearresistance.KEYWORDSmanganesesteel,inoculationtreatment,wearresistance材料的耐磨性具有系统特性，而不是材料固有的属性［1，2］。材料因素、磨料因素、材料和磨料的接触方式、接触应力的大小以及环境因素等都将影响材料的磨损行为［3，4］。本文将研究不同成分的变质锰钢在不同冲击功下的耐磨性与磨面硬度、磨面组织、主要磨损机制及磨损冲击功之间的对应关系，为该类材料的研究、生产及使用提供理论和试验依据。1试验方法试验材料采用150kg中频碱性感应电炉熔炼，精密铸造，用SR变质剂进行变质处理。试样的化学成分见表1。试样经880℃×2h+550℃×3h+1050℃×2h的弥散处理，获得奥氏体基体中弥散分布有颗粒状碳化物的显微组织。表1试样的化学成分%Table1Chemicalcompositionofsamples%钢号CMnSiPSSR变质剂Mn12-1.2C(SR)1.2312.311.180.0700.049适量Mn10-0.8C(SR)0.809.980.960.0660.044适量Mn8-0.8C(SR)0.828.090.880.0630.041适量Mn6-0.8C(SR)0.816.211.030.0590.038适量耐磨性试验在MLD—10型动载磨料磨损试验机上进行。试样尺寸为10mm×10mm×30mm；所选磨损冲击功分别为0.5、1、1.5、2、2.5、3J，冲磨时间均为1h，冲击频率为100次/min；磨料为粒度1～3mm的水洗石英砂，流量为11kg/h；下试样为45号钢，经淬火和回火处理，硬度(HRC)为44～46，转速200r/min。采用磨损失重的倒数表示耐磨性。用HR—150A型洛氏硬度计测定磨面硬度；用JXA—840型扫描电镜观察磨面形貌；用D/max-rc型阳极转靶X射线衍射仪分析磨面的相组成。2试验结果与分析图1示出了变质系列锰钢的耐磨性与磨面硬度、磨面组织、主要磨损机理及磨损冲击功之间的关系。根据磨损冲击功和耐磨性之间的关系，可将每个钢种的磨损冲击功分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区域。在Ⅰ区，随着冲击功的增大，磨面硬度和耐磨性同时提高，但由于冲击功相对较小，磨面金属尚未充分加工硬化，硬度较低，其主要磨损机制为显微切削和凿坑变形(图2(a))，对应着较低的耐磨性；在Ⅱ区，由于磨损冲击功较大，磨面发生了较充分的加工硬化，硬度较高，此时的主要磨损机制为显微切削+浅小凿坑+轻微累积变形疲劳剥落(图2(b))，对应着最高的耐磨性；在Ⅲ区，由于磨损冲击功很大，磨面硬度达到饱和值，其主要磨损机制为累积变形疲劳剥落(图2(c)、(d))，对应着较低的耐磨性。图1磨损条件及磨面组织对变质系列锰钢耐磨性的影响Fig.1Theeffectofwearconditionsandmicrostructureofwornsurfacesonwearresistanceofinoculatedmanganesesteels(a)Mn12-1.2C(SR)；(b)Mn10-0.8C(SR)；(c)Mn8-0.8C(SR)；(d)Mn6-0.8C(SR)图2Mn8-0.8C(SR)钢在不同磨损冲击功下磨损1h后的磨面形貌(SEM)Fig.2SEMmorphologyofMn8-0.8C(SR)steelafterwearing1hunderdifferentwearimpactenergy(a)0.5J；(b)1J；(c)2J；(d)3J由图1可见，不同成分变质锰钢的耐磨性最高区(Ⅱ)并不与硬度最高区相对应，而是对应着低于最高硬度区的近饱和硬度区。这是因为在近饱和硬度区，磨面具有较高硬度和足够韧度的良好配合，此时切削、变形和疲劳剥落磨损量都较少，因而耐磨性最高；而在饱和硬度区，磨面硬度虽高，但韧度损耗很大，脆化严重，疲劳剥落磨损加剧［2］，从而使耐磨性降低。图1还可看出，随着锰含量的降低，耐磨性最高区(Ⅱ)所处的位置向较低冲击功方向移动。与此同时Ⅰ区缩小，Ⅲ区扩大。由磨面硬度的变化可见，锰含量的降低有利于提高锰钢磨面的加工硬化，这与形变诱发马氏体的产生及其量的增多有关。由表2所示的磨面X射线衍射结果可见，随着锰含量的降低和磨损冲击功的增大，形变诱发马氏体量增多。在较低磨损冲击功条件下，产生适量的形变诱发马氏体有利于促进磨面的加工硬化和耐磨性的提高；但在较高磨损冲击功条件下，产生过量的形变诱发马氏体，将会导致磨面的严重脆化，使疲劳剥落磨损量增加(图2(c)、(d))，耐磨性降低［2］。表2不同冲击功下的形变诱发马氏体量%Table2Theamountofstrain-inducedmartensiteunderdifferentimpactenergy%钢种磨损冲击功/J0.511.522.53Mn12-1.2C(SR)0.000.000.000.311.282.69Mn10-0.8C(SR)3.8212.1316.3818.9621.6223.54Mn8-0.8C(SR)15.6121.4029.0738.1347.0958.43Mn6-0.8C(SR)21.5429.9238.2351.9062.8776.55综上所述，就锰钢而言并非磨损冲击功越大，磨面硬度越高，其耐磨性越好，而是与“最佳耐磨性范围”对应，存在一个“最佳磨面硬度范围”，该范围位于低于饱和硬度值的近饱和硬度区；同时与“最佳磨面硬度范围”对应存在一个“适配冲击功范围”，在此范围内，磨面由于具有较高硬度和足够韧度的合理配合，切削、凿坑和疲劳剥落磨损量都较少，因而耐磨性最高。不同钢种的“最佳磨面硬度范围”和“适配冲击功范围”不同，而同一钢种的“最佳磨面硬度范围”和“适配冲击功范围”则相对比较固定。因此，在工况一定时，应选择处于“最佳磨面硬度范围”的耐磨材料；而在材料一定时，应选择处于“适配冲击功范围”的工况。可以此作为“合理选材、恰当用材”的基本依据。3结论(1)不同成分变质锰钢的耐磨性与磨损冲击功之间呈抛物线关系，耐磨性峰值的位置随锰含量的降低而向较低磨损冲击功方向移动。(2)与“最佳耐磨性范围”对应存在着一个“最佳磨面硬度范围”和“适配冲击功范围”。在此范围内，材料具有最佳耐磨性。(3)随钢中锰含量的降低，磨损表层组织中的形变诱发马氏体量增多，磨面硬度提高。在较低磨损冲击功条件下，形成适量的形变诱发马氏体有利于耐磨性的提高。(4)中锰钢在低磨损冲击功下的主要磨损机制为显微切削和凿坑变形，对应着较低的耐磨性；在中等磨损冲击功下的主要磨损机制为显微切削+浅小凿坑+轻微剥落，对应着最高的耐磨性；在高磨损冲击功下的主要磨损机制为累积变形疲劳剥落，对应着较低的耐磨性。本文是在哈尔滨工业大学雷廷权院士的指导下完成的，特致谢意。参考文献1郑华毅.磨料磨损的疲劳机制研究(博士学位论文).北京：清华大学机械工程系，1987.2朱瑞富.变质系列锰钢耐磨机理的研究(博士学位论文).哈尔滨：哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，1994.3加藤康司.金属の摩耗机构.日本金属学会会报，1983，22(4)：302.4本户行男.高Mn钢の摩耗抵抗について.铁と钢，1983，44(9)：113.