低合金耐磨鋼組織性能控制及磨損機(jī)理研究.pdf

1、磨損是材料失效的主要形式之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，80％以上的機(jī)械材料消耗于磨損，50％以上的裝備惡性事故起因于過(guò)渡的磨損和潤(rùn)滑失效。因此，開(kāi)發(fā)高性能的耐磨鋼鐵材料，對(duì)減少材料磨損過(guò)程中的損失、提高機(jī)械裝備的使用壽命有著至關(guān)重要的意義。低合金耐磨鋼作為一種重要的耐磨鋼鐵材料，因合金含量低、綜合性能良好、生產(chǎn)靈活方便及價(jià)格便宜等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于工程機(jī)械、礦山機(jī)械及冶金機(jī)械等設(shè)備的生產(chǎn)制造。本文以高級(jí)別的低合金耐磨鋼NM500為研究對(duì)象，對(duì)其成分、

2、組織進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究所設(shè)計(jì)成分體系下的馬氏體、馬氏體-鐵素體和馬氏體-納米碳化物的控制情況，并分析了其控制工藝過(guò)程與組織、力學(xué)性能和三體沖擊磨料磨損性能的關(guān)系，最終開(kāi)發(fā)出馬氏體型低成本、馬氏體-鐵素體型高韌性和馬氏體-納米碳化物型高耐磨性的低合金耐磨鋼板。本文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新如下：
　　(1)針對(duì)傳統(tǒng)低合金耐磨鋼中添加較多Ni、Mo等貴重合金甚至是稀土元素成本較高的缺點(diǎn)，首次采用在普通C-Mn鋼的基礎(chǔ)上加入少量Cr和B元素的低成本成

3、分體系，開(kāi)發(fā)出高級(jí)別的低合金耐磨鋼板NM500。其中:抗拉強(qiáng)度＞1600MPa，布氏硬度＞500HB，延伸率＞10％，-40℃低溫沖擊＞30J，耐磨性能高于國(guó)外同等級(jí)別耐磨鋼水平。
　　研究了該類(lèi)鋼的連續(xù)冷卻相變行為、熱處理前的熱變形及熱變形后的冷卻工藝、熱處理過(guò)程中的淬火和回火工藝對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)韌性控制單元如原始奧氏體晶粒尺寸、block尺寸、Lath尺寸和析出物的影響規(guī)律，并分析了其與實(shí)驗(yàn)鋼的力學(xué)性能和三體沖擊磨料磨損性能的關(guān)系

4、。結(jié)果表明，較低溫度的控制軋制后控制冷卻至貝氏體區(qū)間，然后在880℃淬火和170℃回火，可得到最佳的硬度和韌性配合，并得到最高的耐磨性能。
　　分析了低溫回火過(guò)程碳化物的析出情況與三體沖擊磨料磨損的關(guān)系。結(jié)果表明，在低溫回火初期，實(shí)驗(yàn)鋼中出現(xiàn)50-100nm的長(zhǎng)條狀ε-FexC，該類(lèi)碳化物能夠增加材料的硬度，且對(duì)韌性損傷不大，有利于增強(qiáng)材料的三體沖擊磨料磨損性能;隨著回火溫度的上升，出現(xiàn)了大量的Fe3C，該類(lèi)碳化物聚集在原始奧氏體

5、晶界周?chē)?，有利于裂紋的擴(kuò)展，促進(jìn)了斷裂的發(fā)生，不利于材料的三體沖擊磨料磨損性能。
　　(2)針對(duì)嚴(yán)寒地帶等特殊工況條件-40℃低溫沖擊韌性的需求，提出采用兩相區(qū)熱處理的方法得到馬氏體-鐵素體雙相鋼來(lái)改善低溫沖擊韌性，進(jìn)而達(dá)到改善耐磨性能和在嚴(yán)寒地帶等特殊工況條件下應(yīng)用的目的。
　　研究了鐵素體的形態(tài)和數(shù)量的控制方法，并分析了其對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼組織、力學(xué)性能和三體沖擊磨料磨損性能的影響。結(jié)果表明，通過(guò)合金元素Mo或熱處理前的軋制和軋后

6、冷卻工藝控制，得到組織細(xì)小的針狀鐵素體或粒狀貝氏體，然后在Ac3以下10℃左右的溫度下進(jìn)行兩相區(qū)熱處理，可得到鐵素體的體積分?jǐn)?shù)在3％-6％之間、-40℃沖擊韌性大于50J、耐磨性高于單一馬氏體型的馬氏體-鐵素體雙相耐磨鋼，滿足了嚴(yán)寒地帶的需求和提高耐磨性能的目的。
　　(3)提出了在高強(qiáng)韌板條馬氏體基體上分布大量納米碳化鈦（鉬）的方法來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)鋼鐵材料耐磨性的思想，實(shí)現(xiàn)了“板條馬氏體強(qiáng)韌性基體+納米級(jí)TiC(或(Ti，Mo)xC

7、)硬質(zhì)顆粒狀碳化物”的組織控制目標(biāo)，達(dá)到了改善耐磨性能的目的。
　　通過(guò)軋制及軋后冷卻過(guò)程的工藝控制，得到大量、細(xì)小、彌散分布納米析出物，然后在離線熱處理階段對(duì)其保留并控制其長(zhǎng)大和溶解，在隨后淬火和低溫回火時(shí)可得到馬氏體上分布納米碳化物的組織。研究了連續(xù)冷卻相變過(guò)程、軋后冷卻過(guò)程、離線淬火過(guò)程和回火過(guò)程中鈦微合金化實(shí)驗(yàn)鋼的碳化物、組織和力學(xué)性能的變化規(guī)律，分析了析出物控制給三體沖擊磨料磨損性能帶來(lái)的影響。結(jié)果表明，軋后采用超快速冷

8、卻至630℃的貝氏體相變區(qū)間，并隨爐緩冷至室溫，然后離線加熱至880℃保溫10min淬火，并在180℃下回火，可得到馬氏體基體上分布大量納米的TiC和(Ti，Mo)xC的實(shí)驗(yàn)鋼，此時(shí)，耐磨性能最佳。
　　(4)研究了單一馬氏體低成本型、馬氏體-鐵素體高韌性型和馬氏體-納米析出物高耐磨性型實(shí)驗(yàn)鋼的三體沖擊磨料磨損行為，并闡明了各自的磨損機(jī)理。
　　三體沖擊磨料磨損性能分析表明，單一馬氏體低成本型耐磨鋼的相對(duì)耐磨性能是日本JFE

9、生產(chǎn)的JFE-EH500的1.04倍，德國(guó)迪林根生產(chǎn)的DILLIDUR500V的1.33倍;馬氏體-鐵素體高韌性型耐磨鋼的相對(duì)耐磨性能是單一馬氏體鋼的1.17倍;馬氏體-納米析出物高耐磨性型的相對(duì)耐磨性能是低馬氏體成本型耐磨鋼NGNM500的1.23倍、JFE-EH500的1.28倍、DILLIDUR500V的1.72倍。
　　在單一馬氏體低成本型耐磨鋼和馬氏體-鐵素體雙相高韌性耐磨鋼中，其耐磨性是硬度和低溫沖擊韌性共同作用的結(jié)果

10、，只有在硬度和韌性良好配合的情況下才能得到更高的耐磨性能;而在馬氏體-納米析出物高耐磨性型耐磨鋼中，其耐磨性除了受硬度和低溫沖擊韌性影響外，還受納米析出物的影響。納米析出物的細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化作用及自身的高硬度是其耐磨性提高的原因。
　　本文的研究結(jié)果被推廣應(yīng)用至國(guó)內(nèi)首鋼、南鋼、漣鋼、湘鋼以及武鋼等大型鋼鐵企業(yè)。生產(chǎn)的鋼板被應(yīng)用于工程機(jī)械、礦山機(jī)械及冶金機(jī)械等設(shè)備部件的制造，并出口到英國(guó)、澳大利亞等十余個(gè)國(guó)家和地區(qū)，同時(shí)還獲得了2