低成本熱軋700MPa級載重汽車車廂板的耐磨性能

王曉南，杜林秀，邸洪雙

（1.蘇州大學(xué) 沙鋼鋼鐵學(xué)院，蘇州215021；2.東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽110819）

0 引 言

以電力為主的新能源汽車技術(shù)和輕量化技術(shù)是解決汽車節(jié)能減排問題的主要措施［1－2］，但電動汽車受到電池技術(shù)的制約，因此輕量化是目前載重汽車節(jié)能減排最有效的措施［3］。現(xiàn)我國載重汽車產(chǎn)量占國內(nèi)汽車總產(chǎn)量30%，年產(chǎn)量達到600萬輛，其車身材料的70%為鋼鐵。現(xiàn)國外已將屈服強度為700MPa級鋼板廣泛應(yīng)用在載重汽車生產(chǎn)制造上，如瑞典SSAB公司的Domex650MC、Domex700MC，日本JFE的 NANOHITEN Steel等［4－6］。而國內(nèi)載重汽車車廂用鋼的屈服強度僅為350～450MPa，鋼板強度低，車廂自重大。采用超高強度薄鋼板替代低強度厚鋼板，可在減少鋼材用量同時提高有效負載能力和運輸效率。寶鋼采用低碳和一定量的錳復(fù)合并加入微合金元素（鈮、釩、鈦和鉬）的方法，成功生產(chǎn)出BS550MC－BS700MC系列熱軋鋼板，主要用于載重汽車大梁及車廂等的制造。

磨損是金屬材料的主要破壞形式之一［7－8］。對于車廂板而言，在使用過程中無法避免發(fā)生表面磨損，導(dǎo)致其表面狀態(tài)發(fā)生變化，甚至在表面形成微裂紋，直接影響其使用壽命。因此，對于新開發(fā)的低成本高性能熱軋700MPa級車廂板［9－10］而言，研究其耐磨性具有非常重要的意義。為此，作者通過常溫摩擦磨損試驗研究了低成本高性能熱軋700MPa級車廂板的耐磨性能，并與其它3種不同強度級別鋼材進行了對比，探討顯微組織、納米析出物及宏觀硬度對耐磨性的影響，為700MPa級車廂板的推廣應(yīng)用提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試樣制備與試驗方法

A鋼和B鋼為國內(nèi)某鋼廠提供的熱軋板材，C鋼和700MPa級車廂板由東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室的φ450mm二輥可逆熱軋機組軋制方坯獲得板材，4種鋼板的厚度均為10mm。表1列出了4種試驗鋼的主要化學(xué)成分。C鋼與700MPa級車廂板的化學(xué)成分相同，均是在碳錳鋼基礎(chǔ)上適當(dāng)提高錳含量，復(fù)合添加微合金元素鈮和鈦，并充分運用細晶強化、析出強化和相變強化等強化機制，獲得細小的組織形態(tài)和納米尺度析出物（Nb，Ti）C，其抗拉強度分別達到780MPa級和700MPa級。試驗鋼的力學(xué)性能列于表2中。

在MG－2000型高速摩擦磨損試驗機上對各試驗鋼進行磨損試驗。圖1給出銷試樣及盤試樣的尺寸。其中試驗鋼為銷試樣，試樣需保證上下表面平行；對磨試樣（盤試樣）的材料為12CrMoV鋼，硬度為700HV10。首先，將銷試樣插入摩擦磨損試驗機的上夾具中，對磨試樣通過中心兩個直徑為5mm的小孔固定在試驗機下夾具上，調(diào)整上下夾具位置使銷試樣及對磨試樣接觸，加載后進行磨損試驗。

表1 試驗鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）Tab.1 Chemical compositions of test steels（mass）%

表2 試驗鋼的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of test steels

采用失重法評價試驗鋼的耐磨性。首先，將試樣在含丙酮溶液的KQ2200E型超聲波清洗器中清洗30min，去除表面的雜質(zhì)和油污，在Sartorius BS224S型電子分析天平上測定試樣初始質(zhì)量Ms；之后，將試樣放在磨損試驗機上進行不同時間的磨損試驗，載荷為100N，轉(zhuǎn)速為400r·min－1，試驗過程中采用吹風(fēng)機吹風(fēng)防止試樣升溫；試驗結(jié)束后再次用超聲波清洗器清洗試樣，在電子分析天平上測定磨損后質(zhì)量Mf；試驗鋼的質(zhì)量損失ΔM＝Ms－Mf。利用FEI Quanta 600型掃描電子顯微鏡（SEM）對試驗鋼的顯微組織和磨損表面進行觀察，顯微組織觀察時所選用的試樣腐蝕劑為4%硝酸酒精溶液。采用FEI Tecnai G2F20型場發(fā)射透射電子顯微鏡觀察萃取碳復(fù)型試樣中的析出物，工作電壓取200kV。萃取碳復(fù)型試樣制備流程：試樣拋光后用體積分數(shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕出晶界→噴碳復(fù)膜（碳膜在肉眼下呈金黃色）→化學(xué)溶解脫膜（7%硝酸酒精溶液）→碳膜的撈取及處理（專用銅網(wǎng)）。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可見，700MPa級車廂板的組織為鐵素體（F）和少量退化珠光體（P′）及晶界上析出的碳化物，鐵素體平均晶粒尺寸為6～7μm；A鋼的顯微組織為等軸鐵素體和片層珠光體（P），鐵素體平均晶粒尺寸為14～15μm；B鋼的顯微組織為多邊形鐵素體（PF）和粒狀貝氏體（GB），鐵素體平均晶粒尺寸為8～9μm；C鋼的顯微組織以貝氏體鐵素體為主，存在少量的先共析鐵素體（PF），在貝氏體鐵素體（BF）和鐵素體晶界上存在著條狀碳化物，貝氏體鐵素體平均寬度0.8μm，鐵素體平均晶粒尺寸為4～5μm。

2.2 磨損量

由圖3可見，隨著磨損時間的延長，4種試驗鋼的磨損量均逐漸增大。當(dāng)試驗時間在20min以內(nèi)時，磨損量增加速度較為緩慢，質(zhì)量損失均在30mg以下；當(dāng)試驗時間超過20min后，磨損量快速增大；當(dāng)磨損時間為40min時，A鋼、B鋼、700MPa級車廂板及C鋼的質(zhì)量損失分別為111.6，62.2，51.7，40.7mg。因此，A鋼的耐磨性能最差，B鋼和700MPa級車廂板居中，C鋼的耐磨性能最優(yōu)。

2.3 磨損形貌

由圖4，5可見，摩擦副滾動方向與圖中磨削痕跡方向平行。A鋼和B鋼的磨損面非常粗糙，已經(jīng)出現(xiàn)嚴重的磨損脫落，磨損表面金屬呈塊狀或片狀逐層剝落，如圖5（a）和（b）中帶網(wǎng)格填充箭頭所示，且存在著大量犁溝，犁溝內(nèi)部存在大量的微裂紋，因此A鋼和B鋼呈現(xiàn)磨粒磨損和疲勞磨損的特征。C鋼磨損面相對光滑，磨損面出現(xiàn)大面積金屬剝落的區(qū)域很小，微觀形貌中只有部分區(qū)域出現(xiàn)微裂紋和犁溝，犁溝相對較窄而淺，因此C鋼以磨粒磨損的特征為主。700MPa級車廂板的磨損面上存在一定量的犁溝，且出現(xiàn)了一定程度金屬剝落，但相對A鋼和B鋼而言，其剝落程度相對較低，因此車廂板的磨粒磨損較A鋼和B鋼明顯，但是剝落層的尺寸和量相對較小。

在磨損過程中，試樣的磨損面向里一定厚度內(nèi)均發(fā)生不同程度的塑性變形，但變形層厚度有所不同。由圖6可見，A鋼和B鋼的表面塑性變形層厚度分別為50μm和45μm；700MPa級車廂板和C鋼的表面塑性變形層厚度分別為37μm和20μm。硬度大的試驗鋼抵抗外力變形能力強，表面塑性變形層厚度小，因而塑性變形層的厚度與基體硬度呈反比關(guān)系。

此外，在A鋼和B鋼的表面塑性變形層中存在微裂紋（圖6中箭頭所指），尤其在A鋼中，裂紋沿著珠光體和鐵素體的相界面生長，當(dāng)裂紋擴展至表面時，形成磨損碎片并脫落，導(dǎo)致質(zhì)量損失顯著增大。然而，在700MPa級車廂板和C鋼的表面變形層及亞變形層中，基本無裂紋存在，原晶界上的條狀或顆粒狀碳化物與基體結(jié)合良好，故磨損過程中金屬脫落的幾率相對較低，質(zhì)量損失較小。

2.4 磨損機理

材料的磨損性能受到基體硬度和組織中碳化物相的影響。在摩擦磨損過程中，第二相主要承受法向載荷，而基體則承受剪切應(yīng)力。軟相基體首先被磨削成溝槽，而第二相逐漸暴露出來，如果第二相過于粗大則會引起基體表面應(yīng)力集中，導(dǎo)致碳化物最終脫落。因此，基體中存在的較基體更硬且彌散分布在基體上的硬質(zhì)相能顯著提高材料的耐磨性［11］。另外，Kim等［12］研究認為，析出相粒子越細、粒子間距越小，材料的耐磨性提高越明顯。

700MPa級車廂板較A鋼、B鋼具有更好耐磨性的原因歸納為三個方面：700MPa級車廂板的基體硬度明顯高于A鋼和B鋼的，可更好地抵抗外力壓入試樣表面，摩擦磨損過程中表面塑性變形層厚度小，金屬不易發(fā)生脫落；700MPa級車廂板基體中所含的碳化物多呈條狀或顆粒狀，與A鋼和B鋼的粗大碳化物（珠光體團和貝氏體組織）相比，變形過程中不易發(fā)生應(yīng)力集中，碳化物與基體界面處無明顯的微裂紋形成，不會產(chǎn)生大面積的金屬脫落；700MPa級車廂板中含有的大量彌散的納米級析出物（Nb，Ti）C，尺寸多集中在20nm 以下（見圖7），在摩擦磨損過程中有效地改善了耐磨性。

C鋼組織中含有與700MPa級車廂板中類似彌散分布的納米尺度析出物，但其析出物尺寸多集中在10nm 以下［10］，因此 C鋼的耐磨性優(yōu)于700MPa級車廂板主要歸因于其宏觀硬度高和組織中大量存在更為細小的納米析出物（Nb，Ti）C。

700MPa級車廂板和C鋼的基體和碳化物在反復(fù)磨損過程中逐漸脫落，不存在明顯的疲勞裂紋和大面積金屬脫落，質(zhì)量損失相對較小，因此其磨損機理以磨粒磨損為主［13］。A鋼和B鋼宏觀硬度較低，且存在大尺寸的珠光體團和貝氏體組織，不但不能提高其磨損性能，反而容易在與基體的相界面形成微裂紋，隨著磨損時間增加，疲勞微裂紋大量出現(xiàn)并不斷擴展，最終導(dǎo)致金屬大片的剝落。因而A鋼和B鋼的磨損機理為粘著磨損和磨粒磨損。

3 結(jié) 論

（1）磨損 時 間 為40min時，A 鋼、B 鋼、700MPa級車廂板及C鋼的質(zhì)量損失分別為111.6，62.2，51.7，40.7mg，A 鋼的耐磨性能最差，B鋼和700MPa級車廂板居中，C鋼耐磨性能最優(yōu)。

（2）A鋼、B鋼、700MPa級車廂板、C鋼的表面塑性變形層厚度分別為50，45，37，20μm，變形層厚度與基體硬度呈反比關(guān)系。

（3）微裂紋易在鐵素體與珠光體或貝氏體相界面形核并擴展；當(dāng)碳化物呈條狀或顆粒狀時，變形過程中不易發(fā)生應(yīng)力集中，碳化物與基體界面處無明顯微裂紋形成。

（4）700MPa級車廂板中納米尺度析出物（Nb，Ti）C可有效地提高其耐磨性，其磨損機理以磨粒磨損為主。

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