不同冲击载荷下轻质耐磨钢的组织及耐磨性研究.pdf
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1、 第卷第期上海金属,年月,基 金 项 目:()横 向 科 研()太 原 重 工新 型 高 性 能 轻 质 耐 磨 钢 材 料 技 术 攻 关作 者 简 介:梁 力 文,男,硕 士,主 要 从 事 轻 质 高 锰 钢 的 研 发 与 应 用,:不 同 冲 击 载 荷 下 轻 质 耐 磨 钢 的 组 织 及 耐 磨 性 研 究梁 力 文王 青 峰毛 忆 蠧程奔刘 日 平孙 建 昌陈 民 涛(燕 山 大 学 亚 稳 材 料 制 备 技 术 与 科 学 国 家 重 点 实 验 室,河 北 秦 皇 岛;太 原 重 工 股 份 有 限 公 司 技 术 中 心,山 西 太 原)【摘 要】以 传 统高 锰 钢
2、 为 对 比 材 料,采 用冲 击 磨 料 磨 损 试 验 机,对 经 不同 条 件 热 处 理 的 轻 质 耐 磨 钢 的 耐 磨 性 及 磨 损 机 制 进 行 研 究。结 果 表 明:经 过 保 温 固 溶 处 理 的 钢 在 冲 击 载 荷 下 的 耐 磨 性 是钢 的 倍;经 保 温 时 效 处 理 后,由 于 大 量 纳 米 级碳 化 物 的 析 出,钢 的 硬 度、强 度 与 耐 磨 性 提 高,在 冲 击 载 荷 下 其 耐 磨 性 是钢 的 倍;钢 的 磨 损 表 面 主 要 以 磨 粒 切 削 形 成 的 较 长 犁 沟、疲 劳 磨 损 产 生 的 剥 落 坑 与 微裂 纹
3、 为 主,钢 的 磨 损 表 面 主 要 以 浅 且 长 的 犁 沟、分 层 坑 与 剥 落 坑 为 主;钢 的 磨 损 亚 表 面 形 成 了 大 量 滑 移 带,在 冲 击 载 荷 下 晶 粒 细 化,钢 时 效 处 理 后 的 磨 损 亚 表 面 有 较 高 密 度 的 位 错 滑 移 线,未 发 现 有 机 械 孪 晶 存 在。【关 键 词】轻 质 耐 磨 钢,固 溶 时 效,冲 击 磨 损,碳 化 物,位 错中 图 分 类 号:文 章 编 号:()(,;,)【】();(),;(),第期梁 力 文 等:不 同 冲 击 载 荷 下 轻 质 耐 磨 钢 的 组 织 及 耐 磨 性 研 究
4、,;(),【】,传 统 高 锰 钢(如)经 过 时 效 处 理 后 具 有良 好 的 冲 击 韧 性 和 加 工 硬 化 性 能,因 而 被 广 泛用 作 矿 山、冶 金、机 械 用 耐 磨 件 材 料。但 是 传 统 高锰 钢 的 初 始 硬 度、屈 服 强 度 低,在 低、中 冲 击 载 荷下 不 能 达 到 或 保 持 良 好 的 耐 磨 性 能,并 且 材 料 密度 大,导 致 大 型 工 件 质 量 大,能 源 消 耗 多。系 轻 质 高 强 钢 是 在 传 统 高 锰 钢 成 分 基 础 上添 加 一 定 量 的以 降 低 其 密 度。每 添 加 质 量 分数 为的 铝,钢 密 度
5、 降 低 左 右。此 外,系 轻 质 钢 还 具 有 优 异 的 力 学 性 能,屈服 强 度 为 ,抗 拉 强 度 为 ,断 后 伸 长 率 最 高 可 达。国 内 外 研 究 人 员 对系 轻 质 钢 的力 学 性 能、第 二 相 析 出 及 其 强 化 机 制 进 行 了 深 入研 究,结 果 表 明,合 适 的 热 处 理(时 效)能 促 使钢 中 析 出 碳 化 物,阻 碍 变 形 过 程 中 位 错 的 运 动,导致 钢 的 强 度 提 高、加 工 硬 化 率 和 断 后 伸 长 率 降 低。彭 世 广 等对 固 溶 时 效 态 钢的 冲 击 磨 损 性 能 进 行 了 研 究,发
6、 现 在 的 低冲 击 载 荷 下,其 耐 磨 性 是 固 溶 态钢 的 倍。等研 究 表 明,固 溶 时 效 态 钢 经 过 爆 炸 硬 化 处 理 后 的 耐 磨 性是钢 的 倍。但 目 前 关 于 不同 热 处 理 条 件 下系 高 锰 钢 的 力 学 性能、冲 击 磨 损 性 能 及 硬 化 机 制 的 研 究 相 对 较 少。本 文 以 传 统高 锰 钢 为 对 比 材 料,研 究 了轻 质 耐 磨 钢 经 固 溶 处 理 和固 溶时 效 处 理 后 的 力 学 性 能、冲 击 磨 损 性 能 及磨 损 机 制,以 期 进 一 步 挖 掘系 高 锰 钢的 应 用 潜 力。试 验 材
7、料 及 方 法 试 样 及 加 工试 验 材 料 为 轻 质 耐 磨钢,对 比 材 料 为钢,两 者 化 学 成 分 如 表所 示。将 铸 锭 锯 切 后,线 切 割 加 工 成 冲 击、拉 伸 及磨 损 试 样 毛 坯,冲 击 试 样 尺 寸 为 ,拉 伸 试 样 尺 寸 为 ,冲 击 磨 损 试 样 尺 寸 为 。表试 验 钢 的 化 学 成 分 钢 种质 量 分 数 钢 钢 基 于 目 前 国 内 矿 山 机 械 用 耐 磨 钢 的 热 处 理 工艺,参 照 奥 氏 体 锰 钢 铸 件 对钢 进 行 保 温 的 固 溶 处 理 和 保 温 的 时 效 处 理。为 了 获 得 单 一 稳
8、定奥 氏 体 相,消 除 铸 态 组 织 的 不 均 匀 性,并 探 究 时 效工 艺 对 耐 磨 钢 的 组 织 与 性能 的 影 响,对 钢 进 行 以 下种 条 件 下 的 热 处 理:()保 温 固 溶 处 理;()保 温 固 溶 处 理 保 温 时 效 处 理;()保 温 固 溶 处 理 保 温、时效 处 理,热 处 理 工 艺 曲 线 如 图所 示。为 了 便 于描 述,将钢 的 热 处 理 工 艺 定 义 为,钢 的 热 处 理 工 艺 分 别 定 义为、。按 金 属 材 料 拉 伸 试 验 第部 分:室 温 试 验 方 法 、金 属 材料 夏 比 摆 锤 冲 击 试 验 方 法
9、 与 钢 铁 材 料 冲 击 磨 料 磨 损 试 验 方 法 ,将 原 始毛 坯 分 别 精 加 工 成 的 冲击 磨 损 试 样,夹 持 端 横 截 面 直 径 为、原 始 标 上海金属第卷图热 处 理 工 艺 距()为倍 原 始 直 径()的 拉 伸 试 样,的型 缺 口 冲 击 试 样,试 验 温 度 为。不 同 热 处 理 条 件 下 的 力 学性 能 均 检 测次,取 平 均 值。冲 击 磨 损 试 验采 用型 动 载 荷 磨 料 磨 损 试 验 机,在、和 载 荷 下 进 行 冲 击 磨 损 试 验,分 别 对 应低、中、高 应 力 工 况,其 结 构 原 理 如 图所 示。上试
10、样 为 标 准 试 样(试 验 钢),由 的 冲 锤 带 动以次 的 频 率 做 上 下 往 复 运 动;下 试 样 为圆 环 形 对 磨 试 样,其 外 圆 直 径 为,内 圆 直 径为,厚 度 为,由 电 动 机 主 轴 带 动 以 的 速 率 进 行 旋 转 对 磨。其 中,下 试 样(对 磨 试 样)为 调 质钢(碳 质 量 分 数 为,硬 度 为)。采 用 粒 径 为 的 特 制 石 英 砂,磨 料 流 量 为 。冲 击 时 间 为。磨 损 试 验 结 束 后,将 试 样 分 别 用 丙 酮 溶 液 和无 水 乙 醇 溶 液 在 超 声 波 清 洗 仪 中 清 洗,然 后图 型 动
11、载 荷 磨 料 磨 损 试 验 机结 构 原 理 图 用 精 度 为 的 电 子 天 平 称 取 质 量,每 个 试 样称 取次,取 其 平 均 值 作 为 磨 损 结 果。材 料 表 征分 别 使 用 体 积 分 数 为和的 硝 酸 酒 精溶 液 对 磨 损 试 验 前 后 的 试 样 进 行 腐 蚀,然 后 在 型 蔡 司 金 相 显 微 镜(,)下 观 察 微 观 组 织。利 用 型射 线 衍 射 仪(,)分 析 固 溶时 效 处 理 前 后 试样 的 物 相 组 成,采 用靶,工 作 电 压 为,电流 为。采 用型 扫 描 电 子 显 微 镜(,)观 察 磨 损 前后 试 样 的 表
12、面、侧 面 组 织 形 貌。将 磨 损 后 试 样 的凸 起 部 分 切 除,抛 光 后 测 试 其 磨 损 表 面 布 氏 硬 度。最 后 将 磨 损 后 试 样 沿 中 轴 侧 面 切 开,经 磨、抛 和 腐蚀 后 在 金 相 显 微 镜 下 观 察 磨 损 形 貌。试 验 结 果 微 观 组 织 与 力 学 性 能 和钢 经 不 同工 艺 热 处 理 后 的 力 学 性 能 如 表所 示。可 以 看出,固 溶 和 时 效 处 理 后 钢 的屈 服 强 度、断 后 伸 长 率 与 硬 度 均 高 于钢。经 保 温 时 效 处 理()的 钢 的 屈 服 强 度 相 比 固 溶 态()提 高
13、了,抗 拉 强 度 提 高 了,硬 度 提高 了,与 经 时 效 处 理()的钢相 比,屈 服 强 度 提 高 了,抗 拉 强 度 提 高 了,断 后 伸 长 率 提 高 了,硬 度 提 高 了,并 且 具 有 良 好 的 冲 击 韧 性。保 温 时 效处 理()后 钢 的 强 度与 硬 度 进 一 步 提 高,但 断 后 伸 长 率 和 冲 击 韧 性 明第期梁 力 文 等:不 同 冲 击 载 荷 下 轻 质 耐 磨 钢 的 组 织 及 耐 磨 性 研 究 显 降 低。两 种 试 验 钢 的 微 观 组 织 如 图所 示,均 为 单相 奥 氏 体。其 中,经 过 保 温()时效 处 理 的钢
14、 晶 界 与 晶 内 均 有 第 二 相 析出;经 过 保 温 时 效 处 理()的 钢 晶 内 与 晶 界 均 有 数 量 较多、尺 寸 较 大 的 第 二 相 析 出,随 着 时 效 温 度 的 提 高与 时 效 时 间 的 增 加,奥 氏 体 晶 粒 尺 寸 略 微 减 小。表经 不 同 工 艺 热 处 理 的 和钢 的 力 学 性 能 钢 种工 艺屈 服 强 度 抗 拉 强 度 断 后 伸 长 率 冲 击 吸 收 能 量 硬 度 图经 不 同 工 艺 热 处 理 的 与钢 的 显 微 组 织 不 同 工 艺 热 处 理 后 钢的图 谱 如 图所 示。图显 示:经 固 溶 处理 钢 的图
15、 谱 中 并 没 有 观 察 到 析 出 相 或 其 他有 序 相 的 衍 射 峰,组 织 为 单 一 奥 氏 体;经 保 温 时 效 处 理 后,在 衍 射 角 为时 出 现 了相 的()面 衍 射 峰;随 着 时 效 温 度 的 提 高 与时 效 时 间 的 增 加,()衍 射 峰 的 强 度 增 强,这与 彭 世 广 等的 研 究 结 果 相 似。由 局 部 放 大 图可 以 看 出,时 效 后,相 的()面 衍射 峰 向 右 偏 移,时 效 时 间 进 一 步 增 加 至,衍射 峰 偏 移 程 度 增 大,这 与 析 出 相 的 出 现 有 关。富、和的 过 饱 和 奥 氏 体 钢 在
16、 时 效 过 程 中发 生 了 调 幅 分 解,和原 子 有 序 排 列,使型 碳 化 物 转 变 为碳 化 物;同 时 奥 氏 体 基 体的 固 溶 度 下 降,导 致 晶 格 间 距 减 小,由 布 拉 格 方程()可 知,值 越 小,则值 增 大,故 奥 氏 体 衍射 峰 向 右 偏 移。()上海金属第卷图不 同 工 艺 热 处 理 后 钢 的图 谱()和 局 部 放 大 图 谱()()()式 中:为 晶 面 间 距;为 入 射 束 与 反 射 面 的 夹角;为射 线 的 波 长;为 衍 射 级 数。图为 经 不 同 工 艺 热 处 理 的 钢 的 微 观 组 织 及 选 区 电 子 衍
17、 射 斑 点。由 图(,)可 见,经 过 固 溶 处 理 的 钢 中 并 没 有 第 二 相析 出,衍 射 斑 点 标 定 基 体 为 奥 氏 体。经 过 保 温()时 效 处 理 后,通 过 选 区 电 子 衍射 斑 点 标 定 发 现 有 纳 米 级 第 二 相,与 奥 氏 体 呈 共格 关 系,如 图(,)所 示。经 分 析,该 析 出 相 为纳 米 级(,),是 具 有结 构 的碳图不 同 工 艺 热 处 理 后 钢 的 微 观 组 织(,)及 选 区 电 子 衍 射 斑 点(,)(,)(,)第期梁 力 文 等:不 同 冲 击 载 荷 下 轻 质 耐 磨 钢 的 组 织 及 耐 磨 性
18、 研 究 化 物。经 过 时 效 处 理 后 析 出 的 纳 米 级碳 化物 呈 块 状 栅 格 形 分 布 于 奥 氏 体 晶 内,对 钢 的 屈 服强 度 有 显 著 影 响。结 合 表和 图可 知,经 过时 效 处 理 后 析 出 的碳 化 物 均 匀 弥 散 地 分 布 于奥 氏 体 晶 内,进 而 提 高 了 钢 的 强 度 和 硬 度,但 尺 寸较 大碳 化 物 的 析 出 也 会 影 响 钢 的 断 后 伸 长 率和 低 温 冲 击 韧 性。冲 击 磨 损 性 能材 料 耐 磨 性 的 计 算 公 式 为:()式 中:为 材 料 在 单 位 时 间 内 的 磨 损 量,。图为 不
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- 不同 冲击 载荷 下轻质 耐磨 组织 耐磨性 研究
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