奧氏體與馬氏體耐磨鋼磨損性能及機(jī)理的研究

溫 華

(山西焦煤集團(tuán) 機(jī)電部， 山西 太原 030021)

刮板輸送機(jī)在煤礦生產(chǎn)中占據(jù)著重要的地位。刮板運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其關(guān)鍵部件中部槽易在工作中產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，磨損主要來(lái)自于礦石沖刷及同機(jī)器其他部件間的相互摩擦。目前，中部槽材料的使用主要是馬氏體及奧氏體耐磨鋼，常用的有瑞典奧克隆德HARDOX系列、日本JFE系列、國(guó)產(chǎn)NM360和NM400、高錳鋼系列等[1-4]. 雖然研究人員對(duì)奧氏體耐磨鋼、馬氏體耐磨鋼的磨損性能分別進(jìn)行了大量的研究，但目前還沒(méi)有見(jiàn)到有關(guān)奧氏體高錳鋼、中錳鋼以及馬氏體耐磨鋼滑動(dòng)磨損性能綜合對(duì)比的相關(guān)報(bào)道。

選擇上海寶鋼特鋼有限公司新開(kāi)發(fā)的奧氏體中錳鋼(中錳鋼)以及Mn13、HARDOX400(HD400)、HARDOX500(HD500)、JFE-EH450(JFE)5種耐磨鋼為研究對(duì)象，通過(guò)各種滑動(dòng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，研究其耐磨性能以及磨損機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)方法與條件

GB/T 12444-2006規(guī)定，摩擦試樣尺寸為10 mm×10 mm×19 mm，摩擦副選用外徑50 mm、內(nèi)徑16 mm的GCr15環(huán)狀軸承鋼，摩擦形式為干摩擦、石英砂摩擦，石英砂粒徑控制在120～150目，流量控制在1.5～2 kg/h，摩擦副轉(zhuǎn)速為200 r/min，滑動(dòng)時(shí)間為2 h，法向載荷為200 N、600 N，實(shí)驗(yàn)用試驗(yàn)機(jī)為M-2000磨損試驗(yàn)機(jī)，試樣尺寸圖見(jiàn)圖1.

分別采用HV-1000型顯微硬度計(jì)、Sartorius BP211D型天平、S-3000N型掃描電鏡對(duì)試樣磨損前后硬度、質(zhì)量變化及表面形貌等進(jìn)行觀察和測(cè)量。

圖1 試樣尺寸圖

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

中錳鋼和Mn13都屬于奧氏體耐磨鋼，其基體硬度低于其他鋼種，且韌性好；而日本產(chǎn)JFE鋼以及瑞典產(chǎn)HD400及HD500鋼屬于馬氏體耐磨鋼，硬度及強(qiáng)度依次升高，但塑韌性較差。5種耐磨鋼的基本力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1，基體金相組織見(jiàn)圖2.

表1 5種耐磨鋼的基本力學(xué)性能表

圖2 5種耐磨鋼金相組織圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 磨損性能

在200 N及600 N載荷下分別進(jìn)行干摩擦及石英砂摩擦實(shí)驗(yàn)，其磨損失重情況見(jiàn)圖3. 當(dāng)載荷條件相同時(shí)，石英砂摩擦造成耐磨鋼的磨損失重相較于干摩擦有大幅增加。在都處于干摩擦的條件時(shí)，奧氏體和馬氏體耐磨鋼的磨損失重相近，而在石英砂摩擦下，奧氏體中錳鋼體現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能，其磨損失重遠(yuǎn)低于其他鋼種，而Mn13相對(duì)較差，馬氏體耐磨鋼中JFE的磨損失重較高，均高于HD400和HD500. 結(jié)果顯示，在摩擦條件相同時(shí)，載荷越大，各耐磨鋼的磨損失重越大。

圖3 不同條件下各耐磨鋼的磨損失重圖

不同條件下各耐磨鋼的摩擦系數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖4. 由圖4a)、b)對(duì)比可知，在摩擦初期，隨著載荷的增大，曲線劇烈波動(dòng)時(shí)間減小。載荷200 N與600 N干摩擦實(shí)驗(yàn)條件下，其摩擦系數(shù)μ在穩(wěn)定階段的波動(dòng)性較小，同時(shí)200 N載荷下各鋼種摩擦系數(shù)均高于600 N. 由圖4a)可知，Mn13摩擦系數(shù)最大，中錳鋼其次，另外3種馬氏體耐磨鋼摩擦系數(shù)較小且相差不大。由圖4b)可知，5種耐磨鋼摩擦系數(shù)相差較小，但兩種奧氏體耐磨鋼的摩擦系數(shù)高于3種馬氏體耐磨鋼。由圖4c)、d)可知，添加石英砂磨料后，摩擦系數(shù)先升高，然后上下波動(dòng)，其波動(dòng)幅度明顯大于干摩擦條件下。由圖4c)可知，馬氏體耐磨鋼的摩擦系數(shù)略高于奧氏體耐磨鋼，而當(dāng)載荷增加至600 N時(shí)，幾種耐磨鋼的摩擦系數(shù)都顯著降低，中錳鋼的摩擦系數(shù)明顯高于其他4種耐磨鋼，高錳鋼與馬氏體耐磨鋼的摩擦系數(shù)基本在同一范圍內(nèi)波動(dòng)。

2.2 磨損形貌

干摩擦下載荷200 N、600 N時(shí)的表面磨損形貌分別見(jiàn)圖5，圖6. 由圖5可知，200 N干摩擦?xí)r，Mn13表面有一定量剝落層，而中錳鋼沒(méi)有剝落層，但是存在一些犁溝。馬氏體耐磨鋼相比于兩種奧氏體耐磨鋼，表面出現(xiàn)了較多剝落坑。JFE表面剝落最嚴(yán)重，且剝落坑中存在大量剝落顆粒，而HD400與HD500表面疲勞坑較少，HD400表面附著有剝落顆粒，而HD500表面不存在剝落顆粒，但存在少量層片狀凸起。由圖6可知，5種耐磨鋼表面都出現(xiàn)了大量的疲勞剝落坑，試樣表面的剝落坑面積相比于200 N載荷下試樣表面剝落坑的面積較大。5種耐磨鋼中，中錳鋼與HD500表面疲勞剝落層較少，而Mn13、HD400與JFE表面都存在大量剝落坑與層片狀凸起。

石英砂磨擦下200 N、600 N載荷時(shí)各鋼滑動(dòng)磨損下表面形貌見(jiàn)圖7，圖8. 實(shí)驗(yàn)中使用摩擦的石英砂硬度約為900～1 100 HV，而中錳鋼與高錳鋼表面硬度均小于280 HV，HD400、JFE和HD500鋼的表面硬度約為400 HV、450 HV和500 HV，因此屬于硬磨料磨損。從圖中可以看出，3種馬氏體耐磨鋼表面破壞機(jī)制主要為石英砂對(duì)其表面造成的鑿削，而中錳鋼與高錳鋼表面既存在鑿削，又存在犁溝。而在摩擦磨損過(guò)程中，鑿削使表面材料直接脫離磨損面，因此直接造成磨損失重。

圖4 不同條件下各耐磨鋼的摩擦系數(shù)圖

圖5 干摩擦下載荷200 N時(shí)表面磨損形貌圖

圖6 干摩擦下載荷600 N時(shí)表面磨損形貌圖

由圖7可知，3種馬氏體鋼中，HD400表面鑿削最嚴(yán)重而且存在大量由石英砂壓入表面而造成的擠壓變形與疲勞剝落，而JFE和HD500表面的鑿削坑要淺而且表面擠壓變形較少。在中錳鋼的表面可以看見(jiàn)輕微的切削痕跡和犁溝，有較少的鑿坑；Mn13材料的表面可以發(fā)現(xiàn)許多切削痕跡與鑿坑，而中錳鋼表面切削痕跡比較少，但是鑿坑較多。

圖7 石英砂摩擦下載荷200 N時(shí)表面磨損形貌圖

圖8 石英砂摩擦下載荷600 N時(shí)表面磨損形貌圖

由圖8可知，3種馬氏體耐磨鋼的表面鑿坑與反復(fù)碾壓形成的疲勞剝落增多，表面塑性變形程度加大，且此時(shí)HD500、JFE和HD400表面形貌差別不大，都可以看到大量鑿坑和疲勞剝落。兩種奧氏體耐磨鋼表面的犁溝與切削相比于200 N載荷下的表面形貌減少，表面較為平整。

2.3 中錳鋼的加工硬化性能

中錳鋼在不同條件下的加工硬化能力見(jiàn)圖9. 在600 N時(shí)，干摩擦和石英砂摩擦條件下，中錳鋼亞表層硬度高達(dá)550 HV，高于其他3種馬氏體鋼。而在200 N石英砂條件下中錳鋼亞表層最高硬度達(dá)450 HV；另外在200 N干摩擦?xí)r，中錳鋼亞表層硬度為375 HV，加工硬化程度最小。

圖9 中錳鋼在不同條件下的加工硬化能力圖

3 分析與討論

干摩擦試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)，表面溫度增加較慢。犁溝切削作用使初期阻力較大，其中摩擦產(chǎn)生的磨屑對(duì)其也有影響。隨著磨損程度的加深，試樣的接觸面積增加，導(dǎo)致摩擦系數(shù)在磨損一開(kāi)始較大，后期則呈逐漸下降趨勢(shì)。磨損程度進(jìn)一步加深，摩擦?xí)?dǎo)致溫度上升，摩擦系數(shù)也變大。載荷的增大也會(huì)導(dǎo)致其溫度升高，試樣出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，摩擦系數(shù)降低。在200 N時(shí)，摩擦系數(shù)曲線出現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)；在600 N時(shí)，摩擦系數(shù)曲線則出現(xiàn)了先逐漸上升而后慢慢下降的現(xiàn)象。在石英砂摩擦下，其部分熱量被石英砂帶走，達(dá)到相對(duì)平衡后，可以保持一個(gè)較低的表面溫度，這時(shí)溫度對(duì)其影響較小。

在載荷不同的石英砂摩擦條件與干磨料磨損條件下，5種耐磨鋼的耐磨性表現(xiàn)出了較大的差異。干磨料磨損時(shí)，3種馬氏體耐磨鋼中，JFE磨損最嚴(yán)重，這是由于JFE本身的組織中殘余奧氏體分布不均勻，內(nèi)部存在塊狀碳化物，碳化物硬度較高，在試樣受到壓應(yīng)力時(shí)，碳化物與奧氏體之間較容易產(chǎn)生裂紋，因此造成材料剝落，故磨損失重最大。石英砂磨料摩擦?xí)r，石英砂的硬度比馬氏體耐磨鋼高，在磨損過(guò)程中，石英砂很容易對(duì)馬氏體鋼表面形成切削和犁溝，材料塑韌性越差，越易發(fā)生脆性裂紋的擴(kuò)展；所以在添加石英砂磨料后，馬氏體耐磨鋼磨損量變大。

高錳鋼錳含量較高，其穩(wěn)定性好，加工硬化效果也不顯著，而且硬度偏低，石英砂摩擦下，表面較容易產(chǎn)生變形，在石英砂反復(fù)的鑿削與碾壓下，高錳鋼表面產(chǎn)生大量疲勞剝落與鑿削，而且由于表面硬度較低，在高載荷的反復(fù)碾壓下表面較為平整。

中錳鋼在4種工況條件下都具有良好的耐磨性，尤其是在添加石英砂磨料后，其耐磨性相比其他4種耐磨鋼更強(qiáng)。

4 結(jié) 論

1) 4種不同實(shí)驗(yàn)條件下，中錳鋼耐磨性最優(yōu)，在干摩擦與石英砂摩擦?xí)r，隨法向載荷的增加，各鋼的磨損量都有所增加。

2) 在干摩擦下，各鋼的磨損機(jī)理主要為疲勞磨損；在石英砂摩擦下，各鋼的磨損機(jī)理主要為磨粒磨損以及疲勞剝落。具體來(lái)說(shuō)，中錳鋼與Mn13磨損表面的破壞機(jī)制主要為犁溝與切削，而其他3種馬氏體耐磨鋼的表面破壞機(jī)理主要為鑿坑與切削。

3) 中錳鋼在600 N下，不管是干摩擦還是石英砂摩擦下其加工硬化顯著，其亞表層硬度高達(dá)550 HV，表明其加工硬化程度與載荷有關(guān)。

4) 在干摩擦實(shí)驗(yàn)條件下，5種耐磨鋼的摩擦系數(shù)先升高后降低，最后趨于穩(wěn)定，而在添加石英砂磨料后，摩擦系數(shù)先升高，然后發(fā)生小范圍的波動(dòng)，并且摩擦系數(shù)隨著載荷的升高而降低。