耐磨鋼的組織與性能研究作者簡介

黃志求，教授，材料科學與工程學院金屬材料教研室主任。

耐磨鋼的組織與性能研究

第1章耐磨材料研究的意義及現(xiàn)狀1

1.1耐磨鑄鋼的研究現(xiàn)狀2

1.1.1高錳耐磨鋼的研究現(xiàn)狀2

1.1.2貝氏體耐磨鋼的研究現(xiàn)狀3

1.1.3國內(nèi)外對奧氏體-貝氏體耐磨鋼的研究現(xiàn)狀6

1.2耐磨鋼強韌化研究進展8

1.3化學成分對耐磨鋼性能的影響10

1.4半鋼耐磨材料的研究12

1.5金屬材料磨料磨損機理的研究15

1.5.1磨料磨損的一般規(guī)律17

1.5.2磨屑形成的變形斷裂機制17

1.5.3金屬材料耐磨性的研究方法20

1.5.4磨料磨損的切削模型及其耐磨性大小的評定20

1.5.5磨粒磨損機理對耐磨材料的要求21

1.6耐磨鑄鋼研究中主要存在的問題21

1.7耐磨鑄鋼的發(fā)展方向23

參考文獻23

第2章中碳低合金貝氏體鋼的研究27

2.1材料制備27

2.1.1奧氏體-貝氏體耐磨鋼的組織設(shè)計27

2.1.2試樣的成分設(shè)計及試驗方法28

2.1.3試樣臨界點的確定29

2.1.4試樣熱處理工藝制度制訂29

2.2力學性能與組織觀察試驗結(jié)果及分析30

2.2.1力學性能測試30

2.2.2斷口分析33

2.2.3拉伸試驗的方法及分析35

2.2.4金相組織觀察及XRD分析39

2.2.5XRD測試42

2.2.6透射電鏡顯微組織觀察分析46

2.3磨料磨損試驗及結(jié)果分析51

2.3.1靜載荷滑動磨料磨損試驗51

2.3.2試樣力學性能與耐磨性的關(guān)系54

2.3.3磨損表面組織與性能的變化55

2.3.4不同載荷下試驗鋼與Mn13的耐磨性57

2.4低應(yīng)力沖擊載荷磨料磨損試驗59

2.5研究結(jié)論64

參考文獻65

第3章中碳高硅鑄鋼耐磨性的研究66

3.1研究意義及目的66

3.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀66

3.3試驗材料與方法72

3.4組織與性能試驗結(jié)果分析73

3.4.1沖擊韌性的討論73

3.4.2試樣硬度73

3.4.3金相組織分析75

3.4.4斷口形貌分析77

3.5磨損表面及耐磨性分析78

3.5.1試樣力學性能與耐磨性的關(guān)系79

3.5.2磨屑的形貌80

3.6研究結(jié)論81

參考文獻81

第4章半鋼耐磨性的研究84

4.1研究的目的和意義84

4.2半鋼耐磨材料研究現(xiàn)狀84

4.3試驗材料89

4.4試驗結(jié)果分析90

4.4.1硬度測試90

4.4.2沖擊韌性測試92

4.4.3金相組織分析94

4.4.4斷口形貌分析95

4.5研究結(jié)論96

參考文獻97

第5章抗磨鑄鋼與高強度鋼復(fù)合焊接工藝的研究98

5.1研究的目的及意義98

5.2異種鋼焊接研究的現(xiàn)狀98

5.3試驗材料及方法101

5.3.1高強鋼材料與耐磨材料的選擇101

5.3.2焊接材料的選用102

5.3.3母材的焊接及熱處理103

5.3.4試驗材料制備104

5.4試驗結(jié)果分析105

5.4.1金相組織分析105

5.4.2硬度測試結(jié)果分析108

5.5研究結(jié)論109

參考文獻110

第6章TiC高錳鋼鋼結(jié)合金的研究111

6.1選題背景111

6.2研究的目的及意義112

6.3破碎設(shè)備對材料性能的要求112

6.3.1破碎設(shè)備工況條件及失效分析112

6.3.2破碎設(shè)備材質(zhì)的組織及性能的要求113

6.4碳化鈦鋼結(jié)合金的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀115

6.4.1碳化鈦鋼結(jié)合金的制備方法116

6.4.2界面結(jié)構(gòu)及潤濕性119

6.4.3應(yīng)用與展望123

6.5研究內(nèi)容124

6.6試驗材料與方法124

6.6.1成分設(shè)計124

6.6.2熱處理工藝126

6.6.3試驗方法127

6.7試驗結(jié)果與討論127

6.7.1碳化鈦鋼結(jié)合金制備工藝的研究127

6.7.2成形劑的影響128

6.7.3成形壓力的影響131

6.7.4溫度的影響132

6.7.5熱處理工藝的影響135

6.7.6鉻對碳化鈦鋼結(jié)合金組織及力學性能的影響138

6.8研究結(jié)論142

參考文獻142

耐磨鋼簡史

耐磨鋼作為一種專用鋼大約始于十九世紀后半葉。1883年英國人哈德菲爾德（R0.A0.Hadfield）首先取得了高錳鋼的專利，至今已有100多年的歷史，高錳鋼是一種碳含量和錳含量較高的耐磨鋼，這個具有百余年歷史的古老鋼種，由于它在大的沖擊磨料磨損條件下使用時具有很強的加工硬化能力，同時兼有良好的韌性和塑性，以及生產(chǎn)工藝易于掌握等優(yōu)點，因此，它仍然是耐磨鋼中用量最大的一種（尤其是在礦山等部門）。近幾十年來，低、中合金耐磨鋼的開發(fā)與應(yīng)用發(fā)展很快，由于這些鋼具有較好的耐磨性和韌性，生產(chǎn)工藝較簡單，綜合經(jīng)濟性合理，在許多工況條件下適用，受到用戶的歡迎。為了適應(yīng)礦山采運機械與工程機械發(fā)展的需要，所研制的高硬度耐磨鋼板，20世紀70～80年代在國際上已形成系列并標準化。這類鋼是在低合金高強度可焊接鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它們一般采用軋后直接淬火并回火，或?qū)嵭锌剀?、控冷工藝進行強化，可節(jié)約能源，且合金元素含量低，價格較便宜，但硬度高，耐磨，工藝性能尚可，由于具有了這些優(yōu)點使這類耐磨鋼板很受用戶歡迎。日、英、美等國的一些鋼鐵公司都生產(chǎn)這類耐磨鋼。

耐磨鋼分類

耐磨鋼種類繁多，大體上可分為高錳鋼，中、低合金耐磨鋼，鉻鉬硅錳鋼，耐氣蝕鋼，耐磨蝕鋼以及特殊耐磨鋼等。一些通用的合金鋼如不銹鋼、軸承鋼、合金工具鋼及合金結(jié)構(gòu)鋼等也都在特定的條件下作為耐磨鋼使用，由于它們來源方便，性能優(yōu)良，故在耐磨鋼的使用中也占有一定的比例。

耐磨鋼化學成分

中、低合金耐磨鋼這類鋼中通常所含的化學元素有硅、錳、鉻、鉬、釩、鎢、鎳、鈦、硼、銅、稀土等。美國很多大中型球磨機的襯板都用鉻鉬硅錳或鉻鉬鋼制造。而美國的大多數(shù)磨球都用中、高碳的鉻鉬鋼制造。在較高溫度（例如200～500℃）的磨料磨損條件下工作的工件或由于摩擦熱使表面經(jīng)受較高溫度的工件，可采用鉻鉬釩、鉻鉬釩鎳或鉻鉬釩鎢等合金耐磨鋼，這類鋼淬火后，經(jīng)中溫或高溫回火時，有二次硬化效應(yīng)。

耐磨鋼應(yīng)用

耐磨鋼廣泛用于礦山機械、煤炭采運、工程機械、農(nóng)業(yè)機械、建材、電力機械、鐵路運輸?shù)炔块T。例如，球磨機的鋼球、襯板、挖掘機的斗齒、鏟斗，各種破碎機的軋臼壁、齒板、錘頭，拖拉機和坦克的履帶板、風扇磨機的打擊板，鐵路轍叉，煤礦刮板輸送機用的中部槽中板、槽幫、圓環(huán)鏈，推土機用鏟刀、鏟齒，大型電動輪車斗用襯板，石油和露天鐵礦穿孔用牙輪鉆頭等等，以上所列舉的還主要限于屬于經(jīng)受磨料磨損的耐磨鋼的應(yīng)用，而各種各樣的機械中凡是有相對運動的工件問，皆會產(chǎn)生各種類型的磨損，都會有提高工件材料耐磨性的要求或要求采用耐磨鋼，這方面的例子則不勝枚舉。礦石和水泥磨機中使用的研磨介質(zhì)（球、棒和襯板）是消耗量很大的鋼鐵磨損件。在美國，磨球大多數(shù)是用碳素鋼和合金鋼鍛造或鑄造的，它們占磨球總消耗量的97%。在加拿大，消耗的磨球中鋼球占81%。據(jù)80年代末統(tǒng)計，中國每年消耗磨球約80～100萬t，全國磨機襯板的年消耗量近20萬t，這其中絕大多數(shù)為鋼制品。中國煤礦用刮板輸送機中部槽每年要消耗6～8萬t鋼板。

耐磨鋼生產(chǎn)工藝

耐磨鋼都是用電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉的，產(chǎn)品以鑄件為多，近年來，鍛、軋等熱加工材正在增多。在一般機械中使用的耐磨鋼件的生產(chǎn)方法與其他工件并沒有太大的區(qū)別，只是在熱處理工藝或表面處理工藝方面應(yīng)有所要求，以達到保證耐磨性的需求。對于那些材質(zhì)冶金純凈度顯著影響耐磨性的鋼件應(yīng)采取精煉措施，并對有害雜質(zhì)和氣體提出限量要求。除基體外第二相的數(shù)量、形狀和分布往往對鋼件的耐磨性能有重大影響，此時需要從鋼的化學成分設(shè)計、冶煉、熱加工、熱處理（含熱機械處理）等等方面統(tǒng)籌考慮，以便從冶金因素方面力爭達到提高耐磨性的要求。

耐磨鋼強化技術(shù)

磨損是發(fā)生在工件表面的過程，因此，強化工件表面就顯得十分重要。鋼的表面強化技術(shù)有著悠久的歷史，例如，滲碳技術(shù)至少可以追溯到兩干多年前中國的漢朝，而一千多年前的中國史書中已有關(guān)于碳氮共滲工藝的記載。近幾十年來，各種各樣的表面強化技術(shù)與裝備發(fā)展迅速，采取必要的表面強化及表面改性措施，不僅可以節(jié)約大量的原材料，而且可以賦予工件表面層以各種特殊的、作為整體材料難以得到的組織結(jié)構(gòu)與性能，從而取得最優(yōu)異的耐磨性能和巨大的經(jīng)濟效益。如今，表面強化技術(shù)已成為耐磨鋼（包括耐磨材料）的研究與應(yīng)用的一個重要發(fā)展方向。

耐磨鋼工藝發(fā)展

近年來鋼鐵材料的表面強化（潤化）技術(shù)發(fā)展很快，有關(guān)新技術(shù)、新工藝層出不窮，針對不同需要可以選擇不同的表面強化技術(shù)來提高鋼件在各種類型磨損條件下的耐磨性，以價格較低廉的基體材料制作工件取代昂貴的合金鋼。滲碳、碳氮共滲、滲氮等工藝仍然是強化機械零件的主要措施，采用共滲、復(fù)合滲、滲硼、滲金屬、噴焊、堆焊、氣相沉積、電刷鍍、離子注入等工藝在不同機件的各種工況條件下都取得了提高耐磨性的明顯效果。此外，鑄滲、復(fù)合鑄造等鑄造工藝在耐磨鋼件的制造中也有應(yīng)用。