磨料磨損條件下的耐磨材料

磨料磨損條件下的耐磨材料

1抗疲勞材料和磨損機(jī)的概論1.1磨料磨損嚴(yán)重材料損壞有三種類型：斷裂、侵蝕和磨損。材料磨損盡管不象另外兩種形式,很少引起金屬工件災(zāi)難性的危害,但其造成的經(jīng)濟(jì)損失卻是相當(dāng)驚人的。據(jù)早期統(tǒng)計,由磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失,美國約150億美元/年,西德約100億馬克/年,前蘇聯(lián)約120億盧布/年。在各類磨損中,磨料磨損又占有重要的地位,在金屬磨損總量中占50%,在冶金礦山、建材、電力、農(nóng)機(jī)、煤炭等行業(yè)磨料磨損尤為嚴(yán)重。因此,研究和發(fā)展用于磨料磨損條件下的耐磨材料,以減少金屬磨損,對國民經(jīng)濟(jì)有重要的意義。1.2工件磨損類型磨料磨損機(jī)理顯示磨損的本質(zhì)和規(guī)律,為耐磨材料的研究和發(fā)展提供依據(jù)。磨料磨損有不同類型,就參加磨損的物體數(shù)目可分為二體磨損和三體磨損;就工件表面承受應(yīng)力和沖擊的大小可分為鑿削式、高應(yīng)力碾碎式和低應(yīng)力擦傷式3類;就磨料與工件相對硬度的大小可分為硬磨料磨損和軟磨料磨損。各類磨損中機(jī)制有所不同,但可歸納為以下幾種基本型式。1.2.1磨料在載荷法作用下的摩擦學(xué)行為切削磨損是硬磨料磨損條件下的主要機(jī)制,磨料硬度大于材料硬度,磨料在載荷法向分力的作用下剌入材料表面,在水平分力作用下相對滑動的削金屬,形成切屑,在磨損表面形成溝槽。切削磨損量取決于材料硬度,硬度愈高,切削量愈少,提高材料硬度,可降低材料磨損。1.2.2低周應(yīng)變疲勞特性疲勞磨損包括兩種類型,第一種是變形疲勞磨損,是在硬磨料相對滑動磨損或沖擊磨損的條件下,磨料切削或鑿削的同時,伴隨有切削溝槽或沖擊鑿坑中材料的塑性變形,擠向溝槽或鑿坑的周圍,而且在后繼磨料的作用下,被推擠出的金屬承受反復(fù)變形、輾壓。當(dāng)某些變形嚴(yán)重部位應(yīng)力超過材料疲勞極限,會產(chǎn)生裂紋,裂紋擴(kuò)展連接引起疲勞脫落造成磨損,變形疲勞磨損具有低周應(yīng)變疲勞性質(zhì),其耐磨性以材料的硬度和塑性(韌性)綜合判據(jù)。第二種疲勞磨損是剝層疲勞磨損,即在軟磨料或硬磨料作用下基體材料變形硬化后,由于接觸應(yīng)力的作用,在其亞表層形成裂紋,裂紋擴(kuò)展,連接至表面,以薄層脫落,表面留下形態(tài)不規(guī)則的剝落坑。這類磨損具有應(yīng)力疲勞性質(zhì),其耐磨性主要以材料硬度為判據(jù),并與韌性一定相關(guān)。1.2.3沖擊韌性+斷裂韌性在硬磨料及沖擊條件下,材料中的脆性相(如碳化物)或較脆基體(如馬氏體)會發(fā)生脆性斷裂、大塊剝落,而形成磨損,這種脆斷磨損與材料的沖擊韌性及斷裂韌性直接相關(guān)。以上各類磨損機(jī)制大多是以不同比重綜合發(fā)生,因工況條件不同各類磨損比重不同。根據(jù)各類磨損機(jī)理與材料性能的關(guān)系,可提出對耐磨材料的常規(guī)要求。①較高硬度、一定塑性;②足夠韌性和脆斷抗力;③高的應(yīng)變疲勞和剝層疲勞抗力;④高的淬透性和獲得足夠深的淬透層;⑤良好的工藝性和生產(chǎn)工藝方便易行。1.3高錳鋼的加工金屬耐磨材料包括耐磨鋼和耐磨鑄鐵,耐磨鋼中有高合金的高錳鋼和低、中合金耐磨鋼,耐磨鑄鐵有低鉻白口鑄鐵和高鉻白口鑄鐵。以下分別討論耐磨鋼的高錳鋼和低、中合金耐磨鋼。2高鉻耐磨鋼2.1高錳鋼耐磨劑高錳鋼指w(C)=1.0%～1.4%,w(Mn)=11%～14%的鋼,經(jīng)1000～1100℃水韌處理,可獲得單一奧氏體組織,具有高的韌性和加工硬化性能。自1882年問世以來,已有100多年的歷史,成為傳統(tǒng)的耐磨材料,受到廣泛的應(yīng)用,我國20世紀(jì)50～60年代幾乎把高錳鋼作為萬能的耐磨材料使用。但在使用實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),高錳鋼的耐磨性是有條件的,只有在沖擊大、應(yīng)力高、磨料硬的情況下,高錳鋼才耐磨。而且其屈服強(qiáng)度低、易于變形。因此,在許多領(lǐng)域已逐漸為其他耐磨材料所代替。高錳鋼要擴(kuò)大其應(yīng)用范圍,必須進(jìn)行改進(jìn)性研究,進(jìn)一步提高其耐磨性。2.2高鉻鋼研究方向2.2.1合金化強(qiáng)化體在不同磨損條件下,耐磨性主要決定于硬度。而高錳鋼以奧氏體為基體,起始硬度不高(約200HB左右),屈服強(qiáng)度也低,容易變形。因此,提高其耐磨性和屈服強(qiáng)度的重要途徑是采用合金化以強(qiáng)化基體。如添加鉻、鉬可引起固溶強(qiáng)化,因鉬較貴,國內(nèi)多用鉻強(qiáng)化。加入鈦形成碳化鈦,可引起彌散強(qiáng)化,并可細(xì)化結(jié)晶組織。國內(nèi)某些廠礦發(fā)展鋼種Mn13CrTi(w(C)=1.4%～1.65%,w(Cr)=2%,w(Ti)=1.0%～1.5%)用于冶金礦山襯板,破碎硬礦石和中硬礦石,其使用壽命比高錳鋼提高50%～70%。2.2.2水韌處理后變質(zhì)劑在熱處理中的應(yīng)用降低錳含量至6%～8%,得到中錳奧氏體鋼,由于降低錳含量,可提高M(jìn)s和Md點(diǎn),使Ms低于室溫,Md高于室溫,水韌處理后單相奧氏體在室溫下磨損中變形可以誘發(fā)馬氏體相變,從而提高加工硬化能力。即使在低沖擊,較小應(yīng)力下工作,也會因形變誘發(fā)相變而顯著硬化,使耐磨性提高。從而擴(kuò)大了中錳鋼的應(yīng)用范圍。國內(nèi)研制的中錳鋼有13Mn7,10Mn7Cr2等系列,與高錳鋼相比,其韌性有所降低,耐磨性則有較大提高,如表1所示。2.2.3殘余熱處理工藝一般高錳鋼工件鑄后進(jìn)行水韌處理以獲得單一奧氏體組織,工藝上新的進(jìn)展是鑄后利用余熱淬化,不需再經(jīng)加熱進(jìn)行水韌處理,可以簡化工藝、節(jié)約能源、縮短生產(chǎn)周期、提高經(jīng)濟(jì)效益。進(jìn)行余熱處理,需要對具體鑄件冷卻時溫度與時間關(guān)系進(jìn)行較精確測定,嚴(yán)格控制好冷卻開箱時間和淬火溫度以保證質(zhì)量。國內(nèi)有單位曾采用鑄后余熱淬火于錘式破碎機(jī)錘頭,壽命與進(jìn)行水韌處理的高錳鋼相當(dāng)。3低、中、耐磨鋼3.1超導(dǎo)性染料表面熱處理低、中合金耐磨鋼是很有發(fā)展前途的一類耐磨材料,具有以下特點(diǎn)。(1)合金含量較低,一般低合金鋼為3%～5%,中合金鋼為6%～8%。所加合金元素為國內(nèi)資源豐富元素,如Cr,Si,Mn,B,RE等,而少含或不含貴重稀缺元素(Ni,Mo),易于推廣應(yīng)用,經(jīng)濟(jì)合算。(2)具有較高硬度,足夠韌性的綜合性能,在硬度大于50HRC的情況下,韌性ak值可達(dá)20～40J/cm2,采用低合金、多元素,復(fù)合合金化獲得淬硬態(tài)組織,可在較大范圍內(nèi)控制硬度和韌性的匹配關(guān)系,在各類磨料磨損工況均可獲得較好的耐磨性。(3)具有良好淬透性,適當(dāng)調(diào)整合金元素,可使不同尺寸工件淬透,也為空冷淬硬簡化熱處理工藝提供條件。(4)生產(chǎn)靈活易行,視工廠條件,可鑄、可鉻、也可軋制生產(chǎn)。(5)價格相對低廉,經(jīng)濟(jì)效益較高。因而,低、中合金耐磨鋼有廣闊的應(yīng)用前景和重要的推廣價值。3.2低碳復(fù)合鋼的研制(1)合金設(shè)計的判據(jù)。有3個方面。①戰(zhàn)略判據(jù)。從資源、能源考慮,要求合金資源豐富,符合國情,節(jié)約能源,有利于推廣應(yīng)用和長遠(yuǎn)考慮。②經(jīng)濟(jì)判據(jù)。要求經(jīng)濟(jì)合算,成本低廉,總的經(jīng)濟(jì)效益高。③技術(shù)判據(jù)。要求性能、組織、結(jié)構(gòu)最優(yōu)化,能獲得最佳組織狀態(tài),滿足對耐磨材料的性能要求。(2)碳及合金元素分析,低、中合金耐磨鋼合金成分設(shè)計主要考慮C,Mn,Si,Cr,Mo及其他微量元素的作用及含量。①碳,是影響低、中合金耐磨鋼組織性能的關(guān)鍵元素,其變化幅度很大。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%)。碳量不同可獲得硬度和韌性的不同匹配關(guān)系,低碳合金韌性較高而硬度偏低,高碳合金硬度高而韌性不足,中碳合金則有較高硬度和良好韌性。目前,低合金耐磨鋼中碳量以中碳(中高碳)為主,個別也采用高碳,如GCr15。中合金耐磨鋼則多用高碳,以與鋼中的鉻形成過剩碳化物充分發(fā)揮鉻的作用。②錳、硅,錳是顯著提高淬透性的元素,而且我國錳資源豐富,價格低廉,因而成為低合金耐磨鋼的主加元素,一般添加1%～2%。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)錳量在2%～3%范圍內(nèi),與硼相配合,可凸出貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū),在較大冷速范圍得到貝一馬組織,獲得空冷貝氏體鋼。硅也是我國資源豐富的元素,一般加入硅的作用是推遲ε-κ至Cm的轉(zhuǎn)變,抑制第一類回火脆性,改善馬氏體的回火穩(wěn)定性,提高回火溫度,獲得較好性能,一般加入1%～1.5%。當(dāng)硅加入量至2%～3%時,可強(qiáng)烈抑制貝氏體轉(zhuǎn)變中碳化物的析出,獲得無碳化物貝氏體,在此基礎(chǔ)上,國內(nèi)研制出新型A-B低合金鋼。③鉻、鉬,鉻、鉬都是提高淬透性和回火穩(wěn)定性的元素,鉬還可改善韌性。鉻是中合金耐磨鋼的主加元素,其含量可達(dá)4%～7%,在低合金耐磨鋼中一般加入1%～3%,鉬在性能要求較高的合金系統(tǒng)中加入,含量0.2%～0.5%。④微量元素,Ti,Nb,V微量可細(xì)化晶粒、改善韌性;微量硼可提高淬透性,還可在Mn的配合下獲得空冷貝氏體鋼;稀土元素(RE)可脫氧、去硫、清除有害雜質(zhì)、細(xì)化晶粒,減少枝晶偏析,改善韌性,提高鋼材質(zhì)量。3.3以殘余持續(xù)識別馬氏體為主體的模板法和熱壓法具有良好耐磨性的組織應(yīng)能提供較高的硬度和足夠的韌性,以下分析較高硬度下的組織狀態(tài)的韌性和耐磨性。低、中合金鋼中淬硬態(tài)的組織有馬氏體(包括板條馬氏體和片狀馬氏體)、貝氏體(上、下貝氏體)、殘余奧氏體和未溶碳化物等。研究得出:①板條馬氏體在準(zhǔn)解理斷裂時有較小的斷裂單元(同位向末)和較多的撕裂苓而消耗斷裂功,從而提高了韌性,而片狀馬氏體斷裂單元大,并有微裂紋造成脆性。因此,板條馬氏體韌性高于片狀馬氏體。②下貝氏體以不同位向的鐵素體板條為最小斷裂單元,其韌性較相同硬度的回火馬氏體高,也高于上貝氏體。③殘余奧氏體存在于馬氏體板條或馬氏體片間,也存在于下貝氏體組織中。因其能使應(yīng)力松馳,阻礙裂紋擴(kuò)展,材料斷裂時吸收能量增加,而使韌性改善。④未溶碳化物會引起應(yīng)力集中,形成裂紋源,有利于裂紋擴(kuò)展,加速脆斷,降低韌性。粗大連續(xù)碳化物較分散,細(xì)小碳化物對韌性危害更大。不同組織的耐磨性取決于硬度和韌性,在接近硬度下韌性良好的組織相應(yīng)也有良好的耐磨性,大致有以下的趨勢。①板條馬氏體耐磨性優(yōu)于片狀馬氏體。②下貝氏體耐磨性高于相同硬度的回火馬氏體。③殘余奧氏體的作用取決于磨損類型。在低應(yīng)力磨損下,殘余奧氏體增多,硬度降低,耐磨性下降;高應(yīng)力與沖擊不大的磨損條件下,殘余奧氏體增加,可抑制裂紋形成和擴(kuò)展,阻礙變形和剝層疲勞磨損,而提高耐磨性。在較大沖擊條件下,如大磨機(jī)中的磨球,過多殘余奧氏體對耐磨性不利。因在沖擊變形中殘余奧氏體發(fā)生馬氏體相變,體積膨脹,應(yīng)力集中而發(fā)生脆性剝落。④在M/A基體中分布細(xì)小彌散碳化物對耐磨性有利,而在硬基體中分布大塊未溶碳化物,在高應(yīng)力較大沖擊下碳化物作為裂紋源引起脆性斷裂剝落,對耐磨性不利。根據(jù)以上分析,作為低、中合金耐磨鋼應(yīng)通過合金控制和熱處理獲得以下各類組織狀態(tài):①板條馬氏體加板條間殘余奧氏體的組織(M板+Ar)可由一般淬火、低溫回火獲得;②下貝氏體或BF/M,BF/A復(fù)合組織,可通過等溫處理或連續(xù)冷卻獲得;③Mt+Ar+K組織,是高碳低、中合金鋼的基本組織,在此類組織中,有些可通過優(yōu)化工藝獲得基體為低碳板條馬氏體加殘余奧氏體,并分布有細(xì)小彌散碳化物的組織。4多元復(fù)合的亞犯統(tǒng)國內(nèi)低、中合金耐磨鋼系統(tǒng)是從我國資源情況出發(fā),并借鑒國外相關(guān)鋼系,以硅、錳系為基礎(chǔ),加入鉻、鉬以及其他微量元素而發(fā)展起來的。其合金系統(tǒng)由成分簡單的單一錳系、鉻系、鉻錳系到成分復(fù)雜的鉻-錳-硅-鉬-其他微量元素的多元復(fù)合系統(tǒng)。國內(nèi)低、中合金耐磨鋼中基本沒有含鎳的合金系。在合金系列中,磨球材料多為成分簡單的合金系,如45Mn2,40Mn3B,GCr15,而襯板、錘頭、齒板等多采用多元復(fù)合的Cr-Mn-Si-Mo-其他微量元素(Ti-B-RE)。代表性合金系統(tǒng)見表2。5低、中、耐腐蝕性鋼的開發(fā)方向在低、中合金耐磨鋼領(lǐng)域,國內(nèi)已取得可喜的發(fā)展,研制出相當(dāng)數(shù)量的鋼種,今后的工作方向有以下幾個方面。(1)幾個種族建立從低碳到高碳;從簡單成分到復(fù)雜成分;從無沖擊低應(yīng)力,到大沖擊高應(yīng)力工況應(yīng)用的低、中合金耐磨鋼系列。(2)優(yōu)化過濾從資源、能源、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)多方面綜合考慮篩選出符合我國資源,節(jié)約能源消耗,具有經(jīng)濟(jì)效益,技術(shù)可靠,性能優(yōu)越的低、中合金耐磨鋼種。(3)推廣應(yīng)用