低合金耐磨鋼組織性能控制及磨損機理研究.pdf

1、磨損是材料失效的主要形式之一。據(jù)統(tǒng)計，80％以上的機械材料消耗于磨損，50％以上的裝備惡性事故起因于過渡的磨損和潤滑失效。因此，開發(fā)高性能的耐磨鋼鐵材料，對減少材料磨損過程中的損失、提高機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)靈活方便及價格便宜等特點，被廣泛的應(yīng)用于工程機械、礦山機械及冶金機械等設(shè)備的生產(chǎn)制造。本文以高級別的低合金耐磨鋼NM500為研究對象，對其成分、

2、組織進(jìn)行設(shè)計，研究所設(shè)計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，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，開發(fā)出高級別的低合金耐磨鋼板NM500。其中:抗拉強度＞1600MPa，布氏硬度＞500HB，延伸率＞10％，-40℃低溫沖擊＞30J，耐磨性能高于國外同等級別耐磨鋼水平。
　　研究了該類鋼的連續(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、熱處理過程中的淬火和回火工藝對實驗鋼的強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，并分析了其與實驗鋼的力學(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，實驗鋼中出現(xiàn)50-100nm的長條狀ε-FexC，該類碳化物能夠增加材料的硬度，且對韌性損傷不大，有利于增強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，該類碳化物聚集在原始奧氏體

5、晶界周圍，有利于裂紋的擴展，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，并分析了其對實驗鋼組織、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)提出了在高強韌板條馬氏體基體上分布大量納米碳化鈦（鉬）的方法來進(jìn)一步增強鋼鐵材料耐磨性的思想，實現(xiàn)了“板條馬氏體強韌性基體+納米級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。
　　通過軋制及軋后冷卻過程的工藝控制，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其保留并控制其長大和溶解，在隨后淬火和低溫回火時可得到馬氏體上分布納米碳化物的組織。研究了連續(xù)冷卻相變過程、軋后冷卻過程、離線淬火過程和回火過程中鈦微合金化實驗鋼的碳化物、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的實驗鋼，此時，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驗鋼的三體沖擊磨料磨損行為，并闡明了各自的磨損機理。
　　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耐磨性能是日本JFE

9、生產(chǎn)的JFE-EH500的1.04倍，德國迪林根生產(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)晶強化、析出強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)用于工程機械、礦山機械及冶金機械等設(shè)備部件的制造，并出口到英國、澳大利亞等十余個國家和地區(qū)，同時還獲得了2